JP3898156B2 - 半導体パワーモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体パワーモジュールに関し、特に、高い放熱特性と製造コストの簡素化および低廉化とを両立的に実現するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、負荷への電力の供給を担う主電流（負荷電流）を断続するなど主電流の流れを変調制御する電力用半導体素子を備える主回路と、この電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とが、１個の装置に組み込まれた半導体装置である。この半導体パワーモジュールは、例えば、モータ等の動作を制御するインバータ、あるいは無停電電源などに利用が拡大しつつある。
【０００３】
主回路は電力回路であり、主電流が流れる電力用半導体素子からの発熱が大きいために、放熱構造が採用される。一方の制御回路は弱電回路であって、その回路素子には微弱な電流しか流れないために、制御回路それ自体には放熱構造は必要とされない。このように、半導体パワーモジュールでは、熱的特性上要求される構造が相異なる２つの回路が一つの装置の中に同居しており、しかも、装置のサイズはできるだけ小さいことが求められている。
【０００４】
図２８は、特開平5-129515号公報に開示される従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図２８において、１はアルミベース板、２はアルミベース板１の上に形成されたエポキシ系の耐熱性の絶縁層、そして、３は絶縁層２の上に所定のパターンに形成された銅箔層を代表例とする金属箔である。これらの部材１〜３は、絶縁配線基板１００を構成している。
【０００５】
さらに、５は金属箔３の上の所定の部位に固定された電力用半導体素子、４は電力用半導体素子５を金属箔３へ固着するハンダ、６は電力用半導体素子５と金属箔３との間などを電気的に接続するアルミニウム製のボンディングワイヤ、そして、１０１は絶縁配線基板１００の上の所定の領域を占めるように金属箔３の上に固定された制御回路基板である。
【０００６】
制御回路基板１０１は、ガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の制御回路基板本体９を有している。そして、制御回路基板本体９の下面すなわち絶縁配線基板１００に対向する面には、厚さ１００μｍ程度の銅箔などの導電体から成るシールド層８が形成されており、他方の面すなわち上面には、パターニングされた銅箔などの導電体から成る配線１０が形成されている。また、制御回路基板本体９にはシールド層８と配線１０とを電気的に接続するスルーホール１１が形成されている。
【０００７】
制御回路基板１０１のシールド層８と絶縁配線基板１００の金属箔３との間には、エポキシ系の接着剤７が塗布されている。この接着剤７によって制御回路基板１０１が絶縁配線基板１００の上に固定されている。配線１０の上には、ハンダ１２によって集積回路などの電子部品１３（図２８には代表例として集積回路が描かれている）が固着されている。
【０００８】
また、絶縁配線基板１００の金属箔３には、主電流を入力または出力するための銅製の複数の端子１４ａ（図２８には代表として１本が描かれている）が、ハンダ１５ａによって固着されている。さらに、制御回路基板１０１の配線１０の上には、信号を入力または出力するための銅製の複数の端子１４ｂ（図２８には代表として１本が描かれている）が、ハンダ１５ｂによって固着されている。すなわち、制御回路基板１０１は電子部品１３などとともに制御回路を構成しており、絶縁配線基板１００は電力用半導体素子５、ボンディングワイヤ６などとともに主回路を構成している。
【０００９】
絶縁配線基板１００にはその周囲を囲むように樹脂などの絶縁体で構成される枠状のケース１６が取り付けられている。絶縁配線基板１００はケース１６の底部に係合しており、しかも、接着剤１７で互いに接合されている。すなわち、ケース１６と絶縁配線基板１００とは、あたかも上端が開口した箱の側面と底面とを構成している。この箱の内部、すなわち、絶縁配線基板１００とケース１６とで囲まれる内部には、電力用半導体素子５などの保護を目的として封止樹脂１８が充填されている。
【００１０】
この装置は、つぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板１の上に絶縁層２を形成し、さらにその上に金属箔３を形成する。その後、金属箔３を選択的にエッチングすることによって、パターニングする。その結果、絶縁配線基板１００が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線１０の形状にパターニングすることによって、制御回路基板１０１を形成する。
【００１１】
つぎに、シールド層８と金属箔３とを接着剤７で接着することによって、制御回路基板１０１を絶縁配線基板１００の上に固定する。つぎに、電力用半導体素子５をハンダ４で金属箔３の上の所定の部位にハンダ付けする。その後、電子部品１３等をハンダ１２で配線１０の上の所定の部位にハンダ付けすることによって制御回路を形成する。つぎにアルミワイヤ６で電力用半導体素子５と金属箔３の間等をワイヤボンディングすることによって、主回路を形成する。
【００１２】
その後、端子１４ａ，１４ｂを配線１０および金属箔３の所定の部位にそれぞれハンダ５ａ，５ｂを用いてハンダ付けする。なお、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂとして、それぞれ融点の異なるハンダを準備し、前の工程でハンダ付けに供されたハンダを溶融しないようにする。その後、ケース１６を絶縁配線基板１００に接着剤１７で固着し、最後にケース１６と絶縁配線基板１００とで囲まれた内部を封止樹脂１８で封止することによって装置が完成する。
【００１３】
図２９は、特開平7-22576号公報に開示されるもう一つの従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図２９において、符号が付された各部材は、形状の差異を除いて、同一符号が付された図２８の装置の各部材と同一の材料で構成されるとともに同様の機能を果たす部材であるので、その詳細な説明を略する。すなわち、この従来装置では、ケース１６が、底面部を有するとともにその底面部に開口部が設けられている。そうして、底面部の上に接着剤７を用いて制御回路基板１０１が固着されており、開口部には絶縁配線基板１００がはめ込まれている。絶縁配線基板１００とケース１６の間は、接着剤１７で接着されている。
【００１４】
この従来装置はつぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板１の上に絶縁層２を形成する。さらに、絶縁層２の上に銅箔層３を形成し、その後、銅箔層３を選択的にエッチングすることによってパターニングする。その結果、絶縁配線基板１００が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線１０の形状にパターニングすることによって、制御回路基板１０１を形成する。
【００１５】
つぎに、電力用半導体素子５をハンダ４で金属箔３の上の所定の部位にハンダ付けする。それと同時ないし前後して、電子部品１３等をハンダ１２で配線１０の上の所定の部位にハンダ付けすることによって、制御回路を形成する。つぎに、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とをケース１６に、それぞれ接着剤１７と接着剤７とで接着する。その後、アルミワイヤ６で電力用半導体素子５と金属箔３の間等をワイヤボンディングすることによって、主回路を形成する。
【００１６】
その後、端子１４ａ，１４ｂを配線１０および金属箔３の所定の部位にそれぞれハンダ５ａ，５ｂを用いてハンダ付けする。なお、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂとして、それぞれ融点の異なるハンダを準備し、前の工程でハンダ付けに供されたハンダを溶融しないようにする点は、図２８の装置と同様である。最後にケース１６と絶縁配線基板１００とで囲まれる内部を封止樹脂１８で封止することによって装置が完成する。
【００１７】
【特許文献１】
特開５―１２９５１５号公報
【特許文献２】
特開７―２２５７６号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来装置は、以上のように構成されていたので、つぎのような問題点を有していた。まず、図２８の従来装置では、高価な絶縁配線基板１００の上に制御回路基板１０１が接着されているため、絶縁配線基板１００の上に、主回路の部品を搭載できない領域が発生することが避けらない。このため、この部分で高価な絶縁配線基板１００が無駄となるという問題点があった。
【００１９】
また、端子１４ａ、１４ｂが、独立した部品として準備され、それらがハンダ付けによって基板１００、１０１に取り付けられるので、ハンダ付けを実行する際にはそれらの端子１４ａ、１４ｂを支持する治具を必要とするという問題点があった。このことは、製造工程を複雑かつ困難にするとともに、特に製造工程の自動化を阻害する要因となっていた。
【００２０】
他方、図２９の従来装置では、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とを横に並べて配置しているため、絶縁配線基板１００のサイズが小さく抑えられるという利点がある。しかしながら、基板を横に並べたため、それらの基板を固定するためにケース１６が底面部にも必要となった。すなわち、ケース１６の構造が複雑となるという別の問題が発生した。また、端子１４ａ、１４ｂの構造が図２８の従来装置と同様であるために、製造工程を自動化することが困難であった。
【００２１】
この発明は、従来の装置における上記した問題点を解消するためになされたもので、主回路の放熱効率を劣化させることなく、製造が容易で製造コストが節減される半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、外部の負荷への電力の供給を担う主電流の流れを制御する電力用半導体素子と当該電力用半導体素子の動作を制御する制御回路素子とを備える半導体パワーモジュールにおいて、熱良導性の平板状の金属基材の一方主面に、電気絶縁性でしかも熱良導性の接着剤によって、第１及び第２リードフレームが固着されており、前記第１リードフレームの上の所定部位に前記電力用半導体素子が固着されており、前記第２リードフレームの上の所定部位に、制御回路基板が固定されており、当該制御回路基板は、前記電力用半導体素子よりも厚みが厚い電気絶縁性の板状の制御回路基板本体と、当該制御回路基板本体の少なくとも一方主面上に配設された制御回路配線パターンとを備え、前記制御回路基板本体の他方主面が前記第２リードフレームに固着されることによって、前記制御回路基板が前記第２リードフレームの所定部位に固定されており、前記制御回路素子は、前記一方主面上において前記制御回路配線パターンの所定部位に接続されており、前記第１及び第２リードフレームは、それぞれ、外部との間で主電流および電気信号の入出力を行うための複数の端子を含んでいることを特徴とする。
【００２３】
第２の発明は、第１の発明の半導体パワーモジュールにおいて、前記接着剤が電気絶縁体の微粒子が混入された接着剤であることを特徴とする。
【００２４】
第３の発明は、第１の発明の半導体パワーモジュールにおいて、前記複数の端子の外方先端部、および前記金属基材の他方主面が露出するように、少なくとも、前記金属基材および前記リードフレームの露出面、前記制御回路基板本体の前記一方主面、前記電力用半導体素子、ならびに、前記制御回路素子が、樹脂で封止されていることを特徴とする。
【００２５】
【作用】
第１の発明の半導体パワーモジュールでは、金属基材の上にリードフレームが接着され、このリードフレームが、電力用半導体素子が固着される配線パターンとともに複数の端子をも兼ねている。このため、装置を製造する際に、端子を制御回路配線パターン等へハンダ付けによって固定する工程を必要としない。また、金属基材の上にリードフレームを接着されるために、主回路基板が必要とされない。
【００２６】
第２の発明の半導体パワーモジュールでは、接着剤に電気絶縁体の微粒子が混入されているので、リードフレームと金属基材との間の電気絶縁が接着剤によって確実に保証される。
【００２７】
第３の発明の半導体パワーモジュールでは、電力用半導体素子等が樹脂によって封止されているので、電力用半導体素子等の回路部品が外部から侵入する水分等から保護される。また、金属基材の他方主面が封止樹脂から露出しているので、金属基材を通じての放熱が封止樹脂によって妨げられない。
【００２８】
【実施例】
＜第１参考例＞
図１は、第１参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。なお、以下の図において、図２８に示した従来装置と同一部材あるいは同一の材料で構成され同様の機能を果たす部材については、同一符号を付してその詳細な説明を略する。図１において、１０２は電気絶縁性の樹脂で構成され、端子１４ａ、１４ｂを一体的に組み込むように成型された枠体である。枠体１０２は、側壁部とともに底面部を有し、上端が開放された箱状をなしている。
【００２９】
図２は、枠体１０２と絶縁配線基板１００の輪郭形状を示す概略平面図である。上述した図１は、図２におけるＡ−Ａ切断線に沿った断面図である。図２に示すように、枠体１０２の底面部の中央部には矩形の開口部３０が形成されており、この開口部３０を埋めるように矩形の絶縁配線基板１００が枠体１０２に固定されている。
【００３０】
図１に戻って、枠体１０２の開口部３０には絶縁配線基板１００が挿入されている。開口部３０の側壁（内周端面）の上端部には、内側に突出する突出部３０ａが設けられており、絶縁配線基板１００の上面端縁部がこの突出部３０ａに当接することによって、絶縁配線基板１００の上下方向の位置が容易に定められる。絶縁配線基板１００は、装置の搬送時等において開口部３０から下方に脱落しないように、接着剤１７によって開口部３０の側壁に固着されている。接着剤１７は、開口部３０の側壁と配線１０の外周端面とを互いに接着している。
【００３１】
このとき、絶縁配線基板１００の底面（言い替えるとアルミベース板１の底面）が、枠体１０２の底面よりも幾分下方に突出するように、絶縁配線基板１００の厚さと枠体１０２の底面部における突出部３０ａより下方の厚さとが調整されている。このため、この装置を例えば表面が平坦な通常の放熱板へ取り付けたときに、枠体１０２をネジ等で放熱板へ固定することによって、絶縁配線基板１００の底面を放熱板へ密着させることが可能である。すなわち、装置の放熱効率を高めることができる。このとき、突出部３０ａは接着剤１７とともに、絶縁配線基板１００が開口部３０を貫通して上方へ不必要に浮き上がることを防止する働きをもなす。
【００３２】
図３は、制御回路基板１０１とその周辺部を拡大して示す斜視断面図である。図３における断面は、図２におけるＡ−Ａ切断線に沿っている。図３に示すように、端子１４ａ、１４ｂはともに枠体１０２に埋め込まれている。すなわち、端子１４ａ、１４ｂは「Ｌ字」型に折曲げられた平板状であり、その直立部は頭部を残して枠体１０２の側壁部に埋め込まれており、頭部が枠体１０２の側壁部の上端面から上方へ突出している。他方の水平部はその上面が露出するとともに枠体１０２の底面部の上面と同一平面となるように、底面部に埋設されている。
【００３３】
制御回路基板１０１は、接着剤７によって枠体１０２の底面部の上面に固着されている。そうして、端子１４ｂと制御回路基板１０１の上面に形成された配線１０（図３では図示を略している）の所定の部位とが、ボンディングワイヤ６によって電気的に接続されている。図１に示したように、この装置の例では、複数個の制御回路基板１０１が同要領で取り付けられている。端子１４ａと絶縁配線基板１００の金属箔３の所定の部位との間も、同じくボンディングワイヤ６で電気的に接続されている（図１）。
【００３４】
このように、この参考例の装置では、端子１４ａ、１４ｂが枠体１０２と一体的に成型されているために、装置を製造する際に、従来装置で必要とされた端子１４ａ、１４ｂをハンダ付けによって固定する工程が必要でなくなる。また、ワイヤボンディング等の量産性に優れた方法によって制御回路基板１０１と端子１４ｂおよび、絶縁配線基板１００と端子１４ａの電気的接続を行うことが可能となる。したがって、製造工程が容易化されるとともに製造コストが節減される。
【００３５】
また、この参考例の装置では、絶縁配線基板１００の上に、主回路の部品を搭載できない領域が発生することはない。すなわち、高価な絶縁配線基板１００が、主回路が占める領域を超えて、不必要に大きなサイズで用いられることがない。このことも、製造コストの節減に寄与する。
【００３６】
＜第２参考例＞
図４は第２参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置は、第１参考例の装置とは、端子１４ａの水平部の先端部が開口部３０の端縁から内側に突出しており、代わりに突出部３０ａは設けられない点が特徴的に異なっている。すなわち、端子１４ａの先端部が、突出部３０ａに替わる機能、すなわち、絶縁配線基板１００の上下方向の位置決め機能を果たしている。しかも、この先端部の底面が、絶縁配線基板１００の上面に形成された金属箔３の所定部位に直接にハンダ付けあるいは溶接される。その結果、ボンディングワイヤ６を用いて接続する方法に比べて、はるかに容易かつ短時間で金属箔３が端子１４ａに電気的に接続される。
【００３７】
また、端子１４ａの先端部と金属箔３とのハンダ付け等を行うことで、電気的接続が実現すると同時に、絶縁配線基板１００が端子１４ａを介して枠体１０２に固定的に支持される。このため、絶縁配線基板１００と枠体１０２との間に接着剤１７を用いる必要がなくなる。すなわち、二重の意味で、製造工程の省力化および省時間化が得られる。
【００３８】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、端子１４ａ、１４ｂが一体的に成型された枠体１０２、金属箔３がパターニングされた絶縁配線基板１００、および配線１０がパターニングされた制御回路基板１０１を準備する。その後、電力用半導体素子５および電子部品１３を、絶縁配線基板１００上の金属箔３の所定部位および制御回路基板１０１上の配線１０の所定部位に、それぞれハンダ付けする。つぎに制御回路基板１０１を枠体１０２の底面部の上面に接着剤７を用いて固着する。
【００３９】
つぎに、絶縁配線基板１００を枠体１０２の開口部３０の中へ底面側から挿入する。開口部３０の内側へと突出する端子１４ａの先端部の底面と絶縁配線基板１００の上の銅箔層３の所定部位とが当接した状態で、それらの当接する部材の間を例えば局部ハンダ付け装置を用いることによって接合する。互いに接合される先端部と金属箔３との位置関係は、絶縁配線基板１００を開口部３０へ挿入することで必然的に定まるので、それらの位置合わせを特別に行う必要がない。
【００４０】
さらに、電力用半導体素子５と絶縁配線基板１００の上に形成された銅箔層３との間、端子１４ｂと制御回路基板１０１の上に形成された配線１０の所定部位との間等を、アルミワイヤ６でワイヤボンディングする。最後に、枠体１０２と絶縁配線基板１００とで囲まれる内部を封止樹脂１８で封止することによって装置が完成する。封止樹脂１８には、好ましくはエポキシ樹脂が用いられる。
【００４１】
このとき、絶縁配線基板１００と枠体１０２との間に間隙を設けることが好ましい。こうすることによって、封止樹脂１８が絶縁配線基板１００と枠体１０２の間の間隙にまで容易に浸潤し、この間隙が封止樹脂１８によって確実に充填されるので、装置の外部から内部への水分等の進入を防止することができる。また同時に、枠体１０２と電力用半導体素子５などの発熱によって温度が上昇する絶縁配線基板１００との間に熱応力が発生することが防止されるので、熱応力に起因するそれらの接続部の破損事故が防止されるという利点も得られる。すなわち、二重の意味で装置の信頼性が向上する。
【００４２】
なお、間隙の大きさは、封止樹脂１８が確実に充填されるとともに、熱応力の発生を抑える効果を得る上で、２００μｍ程度以上とすることが望ましい。
【００４３】
＜第３参考例＞
第１参考例および第２参考例では、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが、横に並列に配置されたが、それらを互いにある角度をもって配置することによって、装置の高密度化を図ることが可能となる。ここでは、その一例について説明する。
【００４４】
図５はこの参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、制御回路基板１０１が枠体１０２の側壁部の内側表面に取り付けられている点が、第１参考例の装置とは特徴的に異なっている。制御回路基板１０１は、接着剤７で側壁部の内側に固着されている。すなわち、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１は、直角の角度をもって互いに配置されている。
【００４５】
このように、枠体１０２の側壁が有効利用されるので、枠体１０２の底面部が縮小される。すなわち、装置の寸法上最も重要な装置の底面部の寸法が縮小され、その結果、取扱いの容易な小型の装置が実現する。
【００４６】
図６は、制御回路基板１０１とその周辺部を拡大して示す斜視断面図である。図６に示すように、端子１４ｂの水平部の先端部１４ｃは直立するように折曲げられている。そうして、制御回路基板１０１は、この直立する先端部１４ｃと枠体１０２の側壁との間に挟み込まれるように取り付けられている。しかも、制御回路基板１０１が備える配線１０の所定の部位と先端部１４ｃとが当接するように、制御回路基板１０１の位置決めがなされている。
【００４７】
配線１０の所定の部位と先端部１４ｃとは、ハンダ付けによって確実に電気的に接続されている。このハンダ付けを行うには、制御回路基板１０１が固定される前に、配線１０の所定の部位と先端部１４ｃとに、それぞれ予備ハンダを塗布しておくとよい。そうすることによって、容易かつ確実にハンダ付けが行われる。このように、制御回路基板１０１が直立しているためにボンディングワイヤ６の使用が容易でない配線１０と端子１４ｂとの間の電気的接続が、ハンダ付けによって、直接に容易に行われる。
【００４８】
この参考例では、制御回路基板１０１が直立する例を示したが、側壁部の内側表面が斜め上方を向くように底面部に対して傾斜した枠体１０２を用い、制御回路基板１０１を側壁部の内側表面に固着することによって、制御回路基板１０１を絶縁配線基板１００に対して斜めに傾斜するように配置してもよい。この場合にも、傾斜の度合いに応じて、装置の底面部の寸法が縮小される。
【００４９】
＜第４参考例＞
つぎに、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが互いにある角度をもって配置された半導体パワーモジュールのもう一つの例について説明する。図７は、この装置例における制御回路基板とその周辺部分を拡大して示す斜視断面図である。また、図８は、図７におけるＢ−Ｂ切断線に沿った断面図である。この装置では、制御回路基板１０１として、いわゆるフレキシブル基板３４が用いられている。
【００５０】
フレキシブル基板３４は、代表的には0.1mm程度の厚さのポリイミドなどの機械的強度の高い樹脂で構成される基板本体３２の片面ないし両面に、代表的には0.05mm程度の厚さの導電性の金属箔３３を付着させた構造の基板である。金属箔３３が基板本体３２の内部の層にも形成された、多層基板の形態を有するものも周知である。金属箔３３は、通常の回路基板と同様に、目的に応じてパターニングした上で使用に供される。フレキシブル基板３４は、その厚さが小さいために、柔軟に折曲げて使用可能である点、すなわち可とう性を有する点が最も重要な特徴となっている。
【００５１】
図７および図８に示すように、制御回路基板１０１としてのフレキシブル基板３４の主要部が、枠体１０２の内側の側壁に沿って接着剤７で貼着されている。さらに、フレキシブル基板３４の下端部は、枠体１０２の底面部の上面に沿うように折曲げられている。そして、この下端部の貼着面に形成される金属箔３３の所定の部位と端子１４ｂとが互いに重なっており、それらの間がハンダ付けによって電気的に接続されている。
【００５２】
以上のように、この参考例の装置では、制御回路基板１０１として可とう性を有するフレキシブル基板３４が用いられるために、端子１４ｂの水平部の先端部を折曲げることなく、枠体１０２の側壁に沿って固定された制御回路基板１０１と端子１４ｂとの電気的接続が容易に行われる。
【００５３】
＜第５参考例＞
図９は、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが互いにある角度をもって配置された半導体パワーモジュールのさらに別の例を示す正面断面図である。この装置においても、第４参考例の装置と同様に、制御回路基板１０１としてフレキシブル基板３４が用いられている。この装置では、フレキシブル基板３４は、枠体１０２の側壁に貼着された部分からさらに上方に長く延びており、しかもこの延長部は絶縁配線基板１００の上方を覆うように水平方向に折曲げられている。
【００５４】
そして、制御回路を構成する電子部品１３は、この水平方向に延びた延長部に取り付けられている。すなわち、電子部品１３が絶縁配線基板１００の上方に立体的に配置されている。このため、枠体１０２の側壁の高さを低くすることによって、装置のさらなる小型化が可能となる。
【００５５】
＜第６参考例＞
図１０は第６参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図１０に示すように、この装置では、枠体１０２が設けられず、制御回路基板１０１に設けられた開口部４０の側壁に、絶縁配線基板１００の外周端面が直接に接合されている。
【００５６】
図１１は、制御回路基板１０１と絶縁配線基板１００の輪郭形状を示す概略平面図である。図１０は、図１１におけるＣ−Ｃ切断線に沿った断面図である。図１１に示すように、制御回路基板１０１の中央部には矩形の開口部４０が形成されており、この開口部４０に矩形の絶縁配線基板１００が嵌め込まれている。
【００５７】
図１０に戻って、開口部４０に嵌合する絶縁配線基板１００の上面（電力用半導体素子５が取り付けられる主面）と制御回路基板１０１の上面（電子部品１３が取り付けられる主面）とは、略同一平面となるように、双方の基板の上下方向の相対位置が定められている。このため、双方の基板の上のハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、一括的に印刷することが可能となる。すなわち、製造工程において、双方の基板をあたかも平坦な一つの基板であるかのように取り扱うことができる。その結果、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【００５８】
絶縁配線基板１００の厚さは、制御回路基板１０１よりも大きく設定されている。このため、絶縁配線基板１００の底面（言い替えるとアルミベース板１の底面）は、制御回路基板１０１の底面よりも下方に突出する。その結果、制御回路基板１０１の底面における開口部４０の周辺部と絶縁配線基板１００の外周端面との間に角（かど）部が形成される。この角部に接着剤１７を供給することによって、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが強固に固着されている。すなわち、双方の基板が互いに直接に固定されている。このため、この装置では、枠体１０２等のケースが不要である。
【００５９】
制御回路基板１０１の上面の外周部には複数の端子１４ａ、１４ｂが配設されている。端子１４ａ、１４ｂは、制御回路基板１０１の上面に形成されている配線１０の所定の部位に、ハンダ１５ａ、１５ｂによってそれぞれハンダ付けされている。なお、図１０には、これらの中の端子１４ｂ、ハンダ１５ｂのみが、代表として描かれている。
【００６０】
端子１４ａ、１４ｂの外側先端部と絶縁配線基板１００の底面部分とのみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。封止樹脂１８は、制御回路基板１０１の底面および接着剤１７をも覆うように設けられる。絶縁配線基板１００は、その底面が封止樹脂１８の底面よりもさらに下方へ突出するように、その厚さが十分な大きさに設定されている。このため、この装置を例えば表面が平坦な通常の放熱板へ取り付けたときに、絶縁配線基板１００の底面を放熱板へ密着させることが可能である。
【００６１】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、制御回路基板１０１と絶縁配線基板１００を準備する。そうして、絶縁配線基板１００を制御回路基板１０１の開口部４０に嵌挿し、双方の上面を略同一平面に揃えた状態で接着剤７を用いて双方の基板を接着する。
【００６２】
つぎに、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、それぞれ所定の部位に一括的に印刷する。その後、電力用半導体素子５、電子部品１３、および端子１４ａ、１４ｂを、ハンダが印刷によって塗布された所定の部位に載置する。そうして、昇温と後続する冷却とを行うことによって、電力用半導体素子５、電子部品１３、および端子１４ａ、１４ｂを、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂによって所定の部位に固着する。
【００６３】
つぎに、電力用半導体素子５と金属箔３との間、金属箔３と配線１０との間等を、アルミワイヤ６でワイヤボンディングする。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。この装置においても、封止樹脂１８には、電気絶縁性に加えて耐熱性、機械的強度、封止の容易さ等に優れるエポキシ樹脂が適している。
【００６４】
＜第７参考例＞
図１２は第７参考例の半導体パワーモジュールの断面図である。また、図１３は、この参考例の装置の制御回路基板１０１の斜視断面図である。図１２および図１３に示すように、この装置では、配線１０および端子１４ａ、１４ｂが制御回路基板本体９の上面に埋め込まれている点が、第６参考例の装置とは特徴的に異なっている。すなわち、この装置では、制御回路基板１０１としてインサート基板１０３が用いられている。なお、図１２および図１３では、端子１４ａ、１４ｂを代表して、端子１４ｂのみが描かれているが、端子１４ａも同様に制御回路基板本体９の上面に埋め込まれている。
【００６５】
このように、端子１４ａ、１４ｂが制御回路基板本体９と一体的に成型されたインサート基板１０３が用いられるために、端子１４ａ、１４ｂを配線１０の上にハンダ付けする必要がない。また、端子１４ａ、１４ｂおよび配線１０は、いずれもその上面が制御回路基板本体９の上面と同一平面となるように、制御回路基板本体９に埋設されている。このため、電子部品１３を配線１０の上だけでなく、端子１４ａ、１４ｂの上にも直接に固着することが可能である。すなわち、端子１４ａ、１４ｂは、あたかも配線１０の一部であるかのように取り扱うことができる。
【００６６】
以上のように、この装置では製造工程が簡略化され、その結果、製造コストも節減される。
【００６７】
＜第８参考例＞
図１４は、第８参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、端子１４ａの先端部が開口部４０の端縁から内側に突出しており、その先端部の底面が、絶縁配線基板１００の上面の金属箔３の所定部位に直接にハンダ付け、ろう付け、あるいは溶接されることによって、インサート基板１０３と絶縁配線基板１００とが互いに固定されている点が、第７参考例の装置とは特徴的に異なっている。
【００６８】
したがって、ボンディングワイヤ６を用いて接続する方法に比べて、はるかに容易かつ短時間で金属箔３が端子１４ａに電気的に接続される。しかも、端子１４ａの先端部と金属箔３とのハンダ付け等を行うことで、電気的接続が実現すると同時に、絶縁配線基板１００がインサート基板１０３に固定的に支持される。このため、接着剤１７を用いて長時間をかけて絶縁配線基板１００とインサート基板１０３とを接着する必要がなくなる。すなわち、二重の意味で、製造工程の省力化および省時間化が得られる。
【００６９】
端子１４ａと金属箔３との間の固着には、電子部品１３および電力用半導体素子５を固着するために用いられるハンダよりも融点の高いハンダ、あるいはハンダよりも融点の高いロウ材が用いられる。あるいは、溶接によって固着してもよい。そうすることによって、一体化された絶縁配線基板１００とインサート基板１０３との上に、ハンダを一括印刷して電力用半導体素子５および電子部品１３を同時に固着することが可能となる。すなわち、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００７０】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、配線１０とともに端子１４ａ、１４ｂが一体的に成型されたインサート基板１０、および、金属箔３がパターニングされた絶縁配線基板１００を準備する。
【００７１】
つぎに、絶縁配線基板１００をインサート基板１０３の開口部４０の中へ底面側から挿入する。開口部４０の内側へと突出する端子１４ａの先端部の底面と絶縁配線基板１００の上の銅箔層３の所定部位とが当接した状態で、それらの当接する部材の間を、例えばレーザ溶接を用いて固着する。その結果、金属箔３と端子１４ａとの間の電気的接続と、双方の基板の間の固定とが同時に実現する。互いに接合される端子１４ａの先端部と金属箔３との位置関係は、絶縁配線基板１００を開口部４０へ挿入することで必然的に定まるので、それらの位置合わせを特別に行う必要がない。
【００７２】
つぎに、ハンダ４、１２を、それぞれ所定の部位に一括的に印刷する。その後、電力用半導体素子５および電子部品１３を、ハンダが印刷によって塗布された所定の部位に載置する。そうして、昇温と後続する冷却とを行うことによって、これらの電力用半導体素子５、電子部品１３を、ハンダ４、１２によって所定の部位に固着する。
【００７３】
つぎに、電力用半導体素子５と銅箔層３との間、および金属箔３と配線１０の間を、アルミワイヤ６でワイヤボンディングする。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【００７４】
なお、絶縁配線基板１００と枠体１０２との間には、間隙を設けることが好ましい。こうすることによって、封止樹脂１８が絶縁配線基板１００とインサート基板１０３の間の間隙にまで容易に浸潤し、この間隙が封止樹脂１８によって確実に充填されるので、装置の外部から内部への水分等の進入を防止することができる。また同時に、インサート基板１０３と電力用半導体素子５などの発熱によって温度が上昇する絶縁配線基板１００との間に熱応力が発生することが防止されるので、熱応力に起因するそれらの接続部の破損事故が防止されるという利点も得られる。すなわち、二重の意味で装置の信頼性が向上する。
【００７５】
なお、間隙の大きさは、封止樹脂１８が確実に充填されるとともに、熱応力の発生を抑える効果を得る上で、２００μｍ程度以上とすることが望ましい。
【００７６】
＜第９参考例＞
図１５は、第９参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図１５に示すように、この装置は、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材１０４を備えている。
【００７７】
図１６は、絶縁配線基板１００と金属基材１０４の輪郭形状を示す概略平面図である。図１６に示すように、金属基材１０４の中央部には矩形の開口部５０が形成されており、この開口部５０に矩形の絶縁配線基板１００が嵌め込まれている。上述した図１５は、図１６におけるＤ−Ｄ切断線に沿った断面図である。
【００７８】
図１５に戻って、開口部５０に嵌挿されたアルミベース板１の外周端面が、接着剤で開口部５０の側壁（内周端面）に接着されることによって、絶縁配線基板１００と金属基材１０４とが互いに固定されている。このため、アルミベース板１と金属基材１０４とは、接着剤を介して互いに結合している。金属基材１０４の上には、制御回路基板１０１が設置されている。制御回路基板１０１は接着剤７で金属基材１０４の上に固着されている。
【００７９】
制御回路基板１０１の上面の外周部には複数の端子１４ａ、１４ｂが配設されている。端子１４ａ、１４ｂは、制御回路基板１０１の上面に形成されている配線１０の所定の部位に、ハンダ１５ａ、１５ｂによってそれぞれハンダ付けされている。図１５には、これらの中の端子１４ｂ、ハンダ１５ｂのみが、代表として描かれている。端子１４ａ、１４ｂの外側先端部、絶縁配線基板１００の底面部分、および、金属基材１０４の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【００８０】
絶縁配線基板１００の上の金属箔３の所定の部位には電力用半導体素子５が固着されている。電力用半導体素子５は、ボンディングワイヤ６によって他の配線部材と電気的に接続されるが、この装置では、電力用半導体素子５がボンディングワイヤ６を通じて接続される配線部材は制御回路基板１０１の上の配線１０に限られる。すなわち、電力用半導体素子５はボンディングワイヤ６を介して配線１０に直接に接続され、ボンディングワイヤ６と配線１０との間に金属箔３を介さない。このため、金属箔３の面積は、電力用半導体素子５を固着するのに必要な大きさに限られる。その結果、絶縁配線基板１００の面積が最小限に抑えられる。すなわち、高価な絶縁配線基板１００を最大限に節減することができる。
【００８１】
絶縁配線基板１００の面積が少なくなっても、絶縁配線基板１００のアルミベース板１と金属基材１０４とは互いに固着されているために、電力用半導体素子５からアルミベース板１へと伝わった熱が金属基材１０４へとさらに伝わるので、放熱効率の低下を招かない。
【００８２】
また、好ましくは、図１５に示すように、絶縁配線基板１００の底面と金属基材１０４の底面とが同一平面上に並ぶように、双方の上下方向の相対位置が定められる。そうすることで、金属基材１０４はアルミベース板１とともに、表面が平坦な外部の放熱板等へ密着可能となるので、電力用半導体素子５からアルミベース板１へと伝わった熱が、金属基材１０４をも通じて放熱板等へ放散される。その結果、放熱の効率がさらに高まる。
【００８３】
絶縁配線基板１００の上面と制御回路基板１０１の上面とは、略同一平面となるように、絶縁配線基板１００、金属基材１０４、および制御回路基板１０１の厚さが最適化されている。例えば、絶縁配線基板１００の底面と金属基材１０４の底面とを同一平面上に揃えるときには、絶縁配線基板１００の厚さは、金属基材１０４の厚さと制御回路基板１０１の厚さの和に略一致するように設定されている。
【００８４】
そうすることによって、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とを金属基材１０４に固定した後に、双方の基板の上の所定の部位に、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、一括的に印刷することが可能となる。すなわち、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【００８５】
また、この参考例の装置では、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが金属基材１０４を通じて結合するので、機械的強度が高いという利点がある。さらに、金属基材１０４は、単に開口部を有する平板形状をなしており、その構造は単純である。すなわち、金属基材１０４は、図２９の従来装置におけるケース１６に比べて、製造が容易で、しかも製造コストが低廉である。しかも、上述したように、金属基材１０４を用いることによって、高価な絶縁配線基板１００が節減されるので、製造コストはさらに低廉となる。
【００８６】
＜第１０参考例＞
図１７は、第１０参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図１７に示すように、この装置は、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材１０５を備えている。そうして、この金属基材１０５の上に、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが設置されている。
【００８７】
図１８は、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１の輪郭形状を示す概略平面図である。図１８に示すように、矩形の金属基材１０５の上に、矩形の絶縁配線基板１００と同じく矩形の制御回路基板１０１とが、互いに隣接するように横に並べられている。上述した図１７は、図１７におけるＥ−Ｅ切断線に沿った断面図である。
【００８８】
図１７に戻って、絶縁配線基板１００の底面と金属基材１０５の上面とが、接着剤１９で接着されることによって、絶縁配線基板１００は金属基材１０５の上に固定されている。また、制御回路基板１０１の底面と金属基材１０５の上面とが、接着剤７で接着されることによって、制御回路基板１０１は金属基材１０５の上に固定されている。これらの接着剤の中で、少なくとも接着剤１９には、耐熱性に優れるとともに熱伝導性の高い材料が選ばれる。
【００８９】
絶縁配線基板１００の上面の制御回路基板１０１と隣接する部分を除く外周部には、端子１４ａが配設されている。端子１４ａは、絶縁配線基板１００の上面に形成されている金属箔３の所定の部位に、ハンダ１５ａによってハンダ付けされている。同様に、制御回路基板１０１の上面の絶縁配線基板１００と隣接する部分を除く外周部には、端子１４ｂが配設されている。端子１４ｂは、制御回路基板１０１の上面に形成されている配線１０の所定の部位に、ハンダ１５ｂによってハンダ付けされている。
【００９０】
端子１４ａ、１４ｂの外側先端部、および、金属基材１０５の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【００９１】
絶縁配線基板１００の上の金属箔３の所定の部位には、電力用半導体素子５がハンダ４によって固着されている。電力用半導体素子５は、ボンディングワイヤ６によって金属箔３と電気的に接続されている。また、絶縁配線基板１００の上の金属箔３の所定の部位と、制御回路基板１０１の上の配線１０の所定の部位との間も、ボンディングワイヤ６によって電気的に接続されている。また、配線１０の所定の部位には、電子部品１３がハンダ１２によって固着されている。
【００９２】
絶縁配線基板１００の上面と制御回路基板１０１の上面とは、略同一平面となるように、絶縁配線基板１００、および制御回路基板１０１の厚さが調整されている。そうすることによって、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とを金属基材１０５に固定した後に、双方の基板の上の所定の部位に、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、一括的に印刷することが可能となる。その結果、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【００９３】
絶縁配線基板１００の底面すなわちアルミベース板１の底面は、金属基材１０５に固着されているので、電力用半導体素子５で発生した熱は、アルミベース板１から、それよりも広い金属基材１０５へと伝わり、外部の放熱板等へと放散される。このため、良好な放熱効率が得られるという利点がある。また、接着剤１９が用いられるために、アルミベース板１から金属基材１０５への熱の伝導を妨げることなく、絶縁配線基板１００を金属基材１０５の上へ容易に固定することができる。また、接着剤１９は耐熱性であるために、熱による特性の劣化の恐れがない。
【００９４】
また、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが金属基材１０５を通じて結合するので、機械的強度が高いという利点がある。さらに、金属基材１０５は、単なる平板形状の金属板であり、その構造はきわめて単純である。すなわち、金属基材１０５は、図２９の従来装置におけるケース１６に比べて、製造が容易で、しかも製造コストが低廉である。すなわち、低廉なコストで高い機械的強度と良好な放熱効率とが得られるという利点がある。
【００９５】
＜第１１参考例＞
図１９は、第１１参考例の半導体パワーモジュールの一部を拡大して示す拡大断面図である。この装置では、金属基材１０５の上面の一部に凸部５１が設けられている点、言い替えると金属基材１０５の上面の一部が凸部５１の形状に盛り上がっている点が、第１０参考例の装置とは特徴的に異なっている。凸部５１の上面は平坦である。他の部分の構成は、第１０参考例の装置と同様である。
【００９６】
凸部５１は、絶縁配線基板１００が固着される領域内の電力用半導体素子５の直下の部位に設けられている。そうすることによって、絶縁配線基板１００が金属基材１０５の上に接着剤１９を介して固着されるときに、大きな加圧力を印加することなく、電力用半導体素子５の直下の接着剤１９が容易にその周辺部へと流出させ、電力用半導体素子５の直下の接着剤１９の厚さを選択的に小さくすることができる。その結果、電力用半導体素子５で発生した熱が、より効果的に金属基材１０５へと伝達するので、放熱効率が一層向上する。
【００９７】
＜第１２参考例＞
つぎに第１２参考例の半導体パワーモジュールについて説明する。この参考例の装置では、金属基材１０５と絶縁配線基板１００のアルミベース板１とが、一部において溶接されている点が、第１０参考例の装置とは特徴的に異なっており、他の部分の構成は、第１０参考例の装置と同様である。図２０および図２１は、この参考例の装置の溶接される部位を示す正面断面図および平面図である。図２０は図２１におけるＦ−Ｆ切断線に沿った断面図である。これらの図において、４２は溶接によって形成された金属の架橋である。
【００９８】
これらの図に示すように、溶接は、絶縁配線基板１００の外周端面に沿った複数箇所（図２１では２箇所を例示している）において行われている。しかも、金属架橋４２が、アルミベース板１の底面と金属基材１０５の上面との間にも形成されるように、溶接箇所においては、接着剤１９がアルミベース板１および金属基材１０５の外周端面から、適度な深さに除去されている。そうして、金属架橋４２は、外周端面から内側へと侵入するように形成されている。このため、高い溶接強度が得られる。
【００９９】
このように、絶縁配線基板１００と金属基材１０５とが溶接されるために、アルミベース板１と金属基材１０５との間の熱的接触が、長期的に保証される。すなわち、放熱効率に対して高い長期的信頼性が得られる。特に、絶縁配線基板１００を金属基材１０５へと加圧しつつ溶接を実行することによって、接着剤１９が常に加圧された状態に置かれるので、放熱効率に対して一層高い長期的信頼性が得られる。
【０１００】
＜第１３参考例＞
図２２は、第１３参考例の半導体パワーモジュールの特徴部を示す断面図である。図２２において、４３は溶接によって形成される金属架橋である。この装置では、アルミベース板１と金属基材１０５の外周端面の溶接箇所において、凹部が設けられており、金属架橋４３がこの凹部に形成されている点が、第１２参考例の装置とは特徴的に異なっており、他の部分の構成は、第１２参考例の装置と同様である。
【０１０１】
この装置では、溶接箇所に凹部が設けられるので、溶接時の加圧および加熱に起因するアルミベース板１および金属基材１０５の変形を、凹部に限定することができる。その結果、金属基材１０５の底面の平坦度が確保されるので、金属基材１０５の底面と外部の放熱板との間の良好な熱的接触が保証されるという利点が得られる。
【０１０２】
＜実施例１＞
図２３および図２４は、それぞれ実施例１の半導体パワーモジュールの正面断面図および斜視断面図である。この装置では、絶縁配線基板１００は用いられず、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材１０７の上に、熱良導性の接着剤１９によってリードフレーム１０６が固着されており、このリードフレーム１０６の上に、電力用半導体素子５および制御回路基板１０１が固着されている。電力用半導体素子５で発生する熱は、接着剤１９および金属基材１０７を効率よく伝わり、外部の放熱板等へと速やかに放散される。すなわち、放熱効率が良好である。
【０１０３】
また、リードフレーム１０６は、主回路の配線パターンを構成するとともに、外部装置との主電流の受け渡しを行うための端子１４ａ、入出力信号の受け渡しを行う端子１４ｂをも構成している。すなわち、リードフレーム１０６は、例えば第１０参考例における金属箔３と端子１４ａ、１４ｂとの双方を兼ねている。製造工程で準備されるリードフレーム１０６には、図示しないタイバが周縁部に設けられており、このタイバを通じて全体が一体的に連結されている。リードフレーム１０６は、金属基材１０７の上に固着された後に、タイバが切除されることによって、連結が解除され、複数の孤立した部分へと切り離される。
【０１０４】
電力用半導体素子５とリードフレーム１０６の所定の部位との間、および、制御回路基板１０１の上の配線１０とリードフレーム１０６の所定の部位との間は、ボンディングワイヤ６で電気的に接続されている。図２３および図２４には、制御回路基板１０１が、二つの制御回路基板１０１ａ、１０１ｂに分割されている例を示している。このように、制御回路基板１０１は、複数の部分に分割されていてもよい。
【０１０５】
端子１４ａ、１４ｂの外側先端部、および、金属基材１０７の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【０１０６】
この実施例の装置は、以上のように構成されるので、端子１４ａ、１４ｂを別途準備した上で、金属箔３あるいは配線１０へとハンダ付けによって接続する必要がない。また、高価な絶縁配線基板１００を用いることなく、良好な放熱特性が得られる。すなわち、製造工程が簡略化されるとともに製造コストが節減される。さらに、主回路と制御回路とが、上下２層に配設されるので、装置の高密度化、小型化が可能であるという利点も得られる。
【０１０７】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。はじめに、平板状の金属基材１０７とリードフレーム１０６とを準備する。リードフレーム１０６の周縁部には、全体を一体的に連結する図示しないタイバが形成されている。そうして、金属基材１０７の上に、接着剤１９を用いてリードフレーム１０６を固着する。その後、タイバを切除して、リードフレーム１０６をいくつかの孤立した部分へと切り離す。
【０１０８】
つぎに、電力用半導体素子５を、リードフレーム１０６の上の所定の部位に、ハンダ４でハンダ付けする。その後、電子部品１３があらかじめ搭載された制御回路基板１０１を、接着剤７を用いてリードフレーム１０６の上に固着する。つづいて、ボンディングワイヤ６を用いて、電力用半導体素子５とリードフレーム１０６の所定の部位との間、および、制御回路基板１０１の上の配線１０とリードフレーム１０６の所定の部位との間を電気的に接続する。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【０１０９】
金属基材１０７とリードフレーム１０６とを接着する接着剤１９として、絶縁体の微粒子が混入された接着剤を用いるのが望ましい。そうすることによって、接着剤１９の厚さが所定の大きさに容易に調整されるので、金属基材１０７とリードフレーム１０６との間に、高い熱伝導性とともに、所望の高さの絶縁耐圧が容易に確保される。混入する微粒子として、微粒子の径よりも結晶粒径の小さいＡｌＮ（窒化アルミニウム）が、特に適している。
【０１１０】
＜実施例２＞
図２５は、実施例２の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、絶縁配線基板１００の上に形成された金属箔３に、電力用半導体素子５とリードフレーム１０８とが固着されている。電力用半導体素子５はハンダ４で固着されており、他方のリードフレーム１０８は、例えばエポキシ系接着剤などの安価な接着剤２０で固着されている。
【０１１１】
この装置では、リードフレーム１０８は、制御回路の配線パターン、主回路の配線パターン、および外部装置との電気的接続のための端子を構成している。このため、絶縁配線基板１００の上に形成される金属箔３を少なくして、高価な絶縁配線基板１００の面積を縮小することができる。また、制御回路の電子部品１３は、リードフレーム１０８の上の所定部位にハンダ付けされる。電子部品１３は、ベアチップ部品（樹脂等でモールドされない裸のチップから成る回路素子）であってもよい。電力用半導体素子５は、ボンディングワイヤ６によって、リードフレーム１０８の所定の部位に電気的に接続されている。
【０１１２】
リードフレーム１０８の端子に相当する部分の先端部、および、絶縁配線基板１００を構成するアルミベース板１の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【０１１３】
この実施例の装置は、以上のように構成されるので、端子を別途準備した上で、金属箔３等へとハンダ付けする必要がない。また、制御回路基板１０１を準備する必要もない。さらに、上述したように、高価な絶縁配線基板１００を節減することができる。このため、製造工程が簡略化されるとともに製造コストが節減される。また、接着剤２０として、テープ状接着剤を用いることによって、製造工程の作業性を、さらに改善することができる。
【０１１４】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。はじめに、絶縁配線基板１００の上に形成されている金属箔３の上の所定部位に、ハンダ４を用いて電力用半導体素子５をハンダ付けする。つぎに、あらかじめベアチップ部品などの電子部品１３が搭載されたリードフレーム１０８を、接着剤２０で金属箔３の上の所定部位に固着する。
【０１１５】
リードフレーム１０８は、その周縁部に設けられるタイバ（図示を略する）によって、全体が一体的に連結している。そして、金属箔３の上に固着した後に、タイバを切除して、リードフレーム１０８をいくつかの孤立した部分へと切り離す。その後、ボンディングワイヤ６を用いて、電力用半導体素子５とリードフレーム１０８の所定部位との間、および電子部品１３とリードフレーム１０８の所定部位との間を電気的に接続する。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【０１１６】
以上のように、一体的に連結したリードフレーム１０８を、絶縁配線基板１００の上に固定し、その後、タイバカットを行うことによって、主回路の配線パターン、制御回路の配線パターン、および端子を同時に形成できるので、作業の能率が高いという利点がある。
【０１１７】
また、製造工程の順序を一部入れ換えて、電子部品１３が搭載されないリードフレーム１０８を、金属箔３の所定部位に固着した後に、電力用半導体素子５と電子部品１３とを同時に、金属箔３およびリードフレーム１０８の所定部位にそれぞれ固着してもよい。そうすることによって、ハンダの一括印刷が可能になるので、工程がさらに簡略となる。また、電子部品１３としてベアチップ部品を使用した場合に、機械的強度の低いベアチップ部品をリードフレーム１０８の上に搭載した状態で搬送する必要がないので、搬送時の破損、損傷を回避することができる。
【０１１８】
＜実施例３＞
図２６は、実施例３の装置のリードフレームの斜視図である。この装置では、リードフレーム１０８の代わりに、厚さが全体にわたって一定ではなく、流れる電流の大きさに応じて各部分毎に異なっているリードフレーム１０９が用いられている点が、実施例２の装置とは特徴的に異なっており、その他の部分は、実施例２の装置と同様である。すなわち、リードフレーム１０９の中で、主電流が流れる主回路の配線パターン１０９ａおよび端子１４ａは、微弱な電流のみが流れる制御回路の配線パターン１０９ｂおよび端子１４ｂよりも、厚く形成されている。例えば、前者は３００μｍの厚さに形成され、後者は１５０μｍの厚さに形成される。
【０１１９】
この実施例の装置は、このように構成されるので、制御回路の配線パターン１０９ｂを微細化することによって、制御回路を高密度化することができ、その結果、装置を小型化することができる。
【０１２０】
厚さが一定でないリードフレーム１０９を容易に形成するために、例えば、厚い部分である配線パターン１０９ａ、端子１４ａと、薄い部分である配線パターン１０９ｂ、端子１４ｂとを個別に形成して、両者を重ね合わせて接着するとよい。
【０１２１】
図２７は、厚さが一定でないリードフレーム１０８を形成するための別の方法を示す工程図である。この方法では、はじめに、図２７（ａ）に示すように、主回路の配線パターン１１０ａおよびこれに連結する端子と、制御回路の配線パターン１１０ｂおよびこれに連結する端子とを、一定の厚さで構成するリードフレーム１１０を準備する。リードフレーム１１０の厚さは、例えば１５０μｍである。
【０１２２】
同時に、主回路の配線パターン１１０ａおよびこれに連結する端子とを構成するもう一つのリードフレーム１１１を準備する。リードフレーム１１１の厚さは、例えば１５０μｍであり、その平面形状は、配線パターン１１０ａと同一である。
【０１２３】
つぎに、図２７（ｂ）に示すように、リードフレーム１１０の上にリードフレーム１１１を重ね、ハンダ付けする。ハンダ付けは、互いに接触する配線パターン１１０ａとリードフレーム１１１の双方の表面にあらかじめハンダメッキを施した後に、重ねて加熱することによって容易に実行可能である。その結果、配線パターン１１０ａとリードフレーム１１１とによって、厚い配線パターン１０９ａが形成され、配線パターン１１０ｂは、そのまま薄い配線パターン１０９ｂとなる。
【０１２４】
以上のように、図２７の方法では、あらかじめ薄いリードフレームのみが準備されるので、リードフレームの加工が容易であるという利点がある。すなわち、装置の製造工程における作業性が向上するという利点がある。
【０１２５】
＜変形例＞
以上の実施例では、絶縁配線基板１００においてアルミベース板１と金属箔３との間に介挿される絶縁層２の材料として、エポキシ系樹脂を例示したが、耐熱性に優れた絶縁材であれば、他の樹脂であってもよい。また、樹脂に限らず、例えばセラミクスであってもよい。例えば、セラミクスの絶縁層２の両面に金属を接合してなる周知の絶縁配線基板を使用することも可能である。
【０１２６】
【発明の効果】
第１の発明の半導体パワーモジュールでは、金属基材の上にリードフレームが接着され、このリードフレームが、電力用半導体素子が固着される配線パターンとともに複数の端子をも兼ねている。このため、装置を製造する際に、端子を制御回路配線パターン等へハンダ付けによって固定する工程を必要としない。また、金属基材の上にリードフレームを接着することで、主回路基板を必要とせず、電力用半導体素子が直接に固着されるので、コストが節減される。
【０１２７】
第２の発明の半導体パワーモジュールでは、接着剤に電気絶縁体の微粒子が混入されているので、リードフレームと金属基材との間の電気絶縁が接着剤によって確実に保証される。
【０１２８】
第３の発明の半導体パワーモジュールでは、電力用半導体素子等が樹脂によって封止されているので、電力用半導体素子等の回路部品が外部から侵入する水分等から保護される。このため、装置の信頼性および寿命が向上する。また、金属基材の他方主面が封止樹脂から露出しているので、放熱効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例の装置の正面断面図である。
【図２】 第１参考例の絶縁配線基板と枠体の平面図である。
【図３】 第１参考例の枠体の斜視断面図である。
【図４】 第２参考例の装置の正面断面図である。
【図５】 第３参考例の装置の正面断面図である。
【図６】 第３参考例の枠体の斜視断面図である。
【図７】 第４参考例の枠体の斜視断面図である。
【図８】 第４参考例の枠体の正面断面図である。
【図９】 第５参考例の装置の正面断面図である。
【図１０】 第６参考例の装置の正面断面図である。
【図１１】 第６参考例の絶縁配線基板と制御回路基板の平面図である。
【図１２】 第７参考例の装置の正面断面図である。
【図１３】 第７参考例のインサート基板の斜視断面図である。
【図１４】 第８参考例の装置の正面断面図である。
【図１５】 第９参考例の装置の正面断面図である。
【図１６】 第９参考例の絶縁配線基板と金属基材の平面図である。
【図１７】 第１０参考例の装置の正面断面図である。
【図１８】 第１０参考例の絶縁配線基板と金属基材の平面図である。
【図１９】 第１１参考例の装置の一部の拡大断面図である。
【図２０】 第１２参考例の装置の一部の正面断面図である。
【図２１】 第１２参考例の絶縁配線基板と制御回路基板の平面図である。
【図２２】 第１３参考例の装置の一部の正面断面図である。
【図２３】 実施例１の装置の正面断面図である。
【図２４】 実施例１の装置の斜視断面図である。
【図２５】 実施例２の装置の正面断面図である。
【図２６】 実施例３のリードフレームの斜視図である。
【図２７】 実施例３のリードフレームの別の例の斜視図である。
【図２８】 第１従来例の装置の正面断面図である。
【図２９】 第２従来例の装置の正面断面図である。
【符号の説明】
１ アルミベース板（金属板）、２ 絶縁層、３ 金属箔（主回路配線パターン）、５ 電力用半導体素子、９ 制御回路基板本体、１０ 配線（制御回路配線パターン）、１３ 電子部品（制御回路素子）、１４ａ，１４ｂ 端子、１７，１９ 接着剤、１８ 封止樹脂（樹脂）、３０ 開口部、３０ａ 突出部、３２ 基板本体（制御回路基板本体）、３３ 金属箔（制御回路配線パターン）、３４ フレキシブル基板（制御回路基板）、４０，５０ 開口部、４２，４３ 金属架橋、１００ 絶縁配線基板（主回路基板）、１０１ 制御回路基板、１０２ 枠体、１０４，１０５ 金属基材、１０６，１０８ リードフレーム、１０９ａ 配線パターン（第１リードフレーム材）、１０９ｂ 配線パターン（第２リードフレーム材）、１１０ リードフレーム（第１リードフレーム材）、１１１ リードフレーム（第２リードフレーム材）。
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体パワーモジュールに関し、特に、高い放熱特性と製造コストの簡素化および低廉化とを両立的に実現するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パワーモジュールは、負荷への電力の供給を担う主電流（負荷電流）を断続するなど主電流の流れを変調制御する電力用半導体素子を備える主回路と、この電力用半導体素子の動作を制御する制御回路とが、１個の装置に組み込まれた半導体装置である。この半導体パワーモジュールは、例えば、モータ等の動作を制御するインバータ、あるいは無停電電源などに利用が拡大しつつある。
【０００３】
主回路は電力回路であり、主電流が流れる電力用半導体素子からの発熱が大きいために、放熱構造が採用される。一方の制御回路は弱電回路であって、その回路素子には微弱な電流しか流れないために、制御回路それ自体には放熱構造は必要とされない。このように、半導体パワーモジュールでは、熱的特性上要求される構造が相異なる２つの回路が一つの装置の中に同居しており、しかも、装置のサイズはできるだけ小さいことが求められている。
【０００４】
図２８は、特開平5-129515号公報に開示される従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図２８において、１はアルミベース板、２はアルミベース板１の上に形成されたエポキシ系の耐熱性の絶縁層、そして、３は絶縁層２の上に所定のパターンに形成された銅箔層を代表例とする金属箔である。これらの部材１〜３は、絶縁配線基板１００を構成している。
【０００５】
さらに、５は金属箔３の上の所定の部位に固定された電力用半導体素子、４は電力用半導体素子５を金属箔３へ固着するハンダ、６は電力用半導体素子５と金属箔３との間などを電気的に接続するアルミニウム製のボンディングワイヤ、そして、１０１は絶縁配線基板１００の上の所定の領域を占めるように金属箔３の上に固定された制御回路基板である。
【０００６】
制御回路基板１０１は、ガラスエポキシ（ガラスファイバで強化されたエポキシ樹脂）で構成される電気絶縁性の制御回路基板本体９を有している。そして、制御回路基板本体９の下面すなわち絶縁配線基板１００に対向する面には、厚さ１００μｍ程度の銅箔などの導電体から成るシールド層８が形成されており、他方の面すなわち上面には、パターニングされた銅箔などの導電体から成る配線１０が形成されている。また、制御回路基板本体９にはシールド層８と配線１０とを電気的に接続するスルーホール１１が形成されている。
【０００７】
制御回路基板１０１のシールド層８と絶縁配線基板１００の金属箔３との間には、エポキシ系の接着剤７が塗布されている。この接着剤７によって制御回路基板１０１が絶縁配線基板１００の上に固定されている。配線１０の上には、ハンダ１２によって集積回路などの電子部品１３（図２８には代表例として集積回路が描かれている）が固着されている。
【０００８】
また、絶縁配線基板１００の金属箔３には、主電流を入力または出力するための銅製の複数の端子１４ａ（図２８には代表として１本が描かれている）が、ハンダ１５ａによって固着されている。さらに、制御回路基板１０１の配線１０の上には、信号を入力または出力するための銅製の複数の端子１４ｂ（図２８には代表として１本が描かれている）が、ハンダ１５ｂによって固着されている。すなわち、制御回路基板１０１は電子部品１３などとともに制御回路を構成しており、絶縁配線基板１００は電力用半導体素子５、ボンディングワイヤ６などとともに主回路を構成している。
【０００９】
絶縁配線基板１００にはその周囲を囲むように樹脂などの絶縁体で構成される枠状のケース１６が取り付けられている。絶縁配線基板１００はケース１６の底部に係合しており、しかも、接着剤１７で互いに接合されている。すなわち、ケース１６と絶縁配線基板１００とは、あたかも上端が開口した箱の側面と底面とを構成している。この箱の内部、すなわち、絶縁配線基板１００とケース１６とで囲まれる内部には、電力用半導体素子５などの保護を目的として封止樹脂１８が充填されている。
【００１０】
この装置は、つぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板１の上に絶縁層２を形成し、さらにその上に金属箔３を形成する。その後、金属箔３を選択的にエッチングすることによって、パターニングする。その結果、絶縁配線基板１００が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線１０の形状にパターニングすることによって、制御回路基板１０１を形成する。
【００１１】
つぎに、シールド層８と金属箔３とを接着剤７で接着することによって、制御回路基板１０１を絶縁配線基板１００の上に固定する。つぎに、電力用半導体素子５をハンダ４で金属箔３の上の所定の部位にハンダ付けする。その後、電子部品１３等をハンダ１２で配線１０の上の所定の部位にハンダ付けすることによって制御回路を形成する。つぎにアルミワイヤ６で電力用半導体素子５と金属箔３の間等をワイヤボンディングすることによって、主回路を形成する。
【００１２】
その後、端子１４ａ，１４ｂを配線１０および金属箔３の所定の部位にそれぞれハンダ５ａ，５ｂを用いてハンダ付けする。なお、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂとして、それぞれ融点の異なるハンダを準備し、前の工程でハンダ付けに供されたハンダを溶融しないようにする。その後、ケース１６を絶縁配線基板１００に接着剤１７で固着し、最後にケース１６と絶縁配線基板１００とで囲まれた内部を封止樹脂１８で封止することによって装置が完成する。
【００１３】
図２９は、特開平7-22576号公報に開示されるもう一つの従来の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図２９において、符号が付された各部材は、形状の差異を除いて、同一符号が付された図２８の装置の各部材と同一の材料で構成されるとともに同様の機能を果たす部材であるので、その詳細な説明を略する。すなわち、この従来装置では、ケース１６が、底面部を有するとともにその底面部に開口部が設けられている。そうして、底面部の上に接着剤７を用いて制御回路基板１０１が固着されており、開口部には絶縁配線基板１００がはめ込まれている。絶縁配線基板１００とケース１６の間は、接着剤１７で接着されている。
【００１４】
この従来装置はつぎの手順で組み立てられる。まず、アルミベース板１の上に絶縁層２を形成する。さらに、絶縁層２の上に銅箔層３を形成し、その後、銅箔層３を選択的にエッチングすることによってパターニングする。その結果、絶縁配線基板１００が形成される。また、それと前後して、あらかじめ入手した市販の基板の一方主面の金属箔を配線１０の形状にパターニングすることによって、制御回路基板１０１を形成する。
【００１５】
つぎに、電力用半導体素子５をハンダ４で金属箔３の上の所定の部位にハンダ付けする。それと同時ないし前後して、電子部品１３等をハンダ１２で配線１０の上の所定の部位にハンダ付けすることによって、制御回路を形成する。つぎに、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とをケース１６に、それぞれ接着剤１７と接着剤７とで接着する。その後、アルミワイヤ６で電力用半導体素子５と金属箔３の間等をワイヤボンディングすることによって、主回路を形成する。
【００１６】
その後、端子１４ａ，１４ｂを配線１０および金属箔３の所定の部位にそれぞれハンダ５ａ，５ｂを用いてハンダ付けする。なお、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂとして、それぞれ融点の異なるハンダを準備し、前の工程でハンダ付けに供されたハンダを溶融しないようにする点は、図２８の装置と同様である。最後にケース１６と絶縁配線基板１００とで囲まれる内部を封止樹脂１８で封止することによって装置が完成する。
【００１７】
【特許文献１】
特開５―１２９５１５号公報
【特許文献２】
特開７―２２５７６号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来装置は、以上のように構成されていたので、つぎのような問題点を有していた。まず、図２８の従来装置では、高価な絶縁配線基板１００の上に制御回路基板１０１が接着されているため、絶縁配線基板１００の上に、主回路の部品を搭載できない領域が発生することが避けらない。このため、この部分で高価な絶縁配線基板１００が無駄となるという問題点があった。
【００１９】
また、端子１４ａ、１４ｂが、独立した部品として準備され、それらがハンダ付けによって基板１００、１０１に取り付けられるので、ハンダ付けを実行する際にはそれらの端子１４ａ、１４ｂを支持する治具を必要とするという問題点があった。このことは、製造工程を複雑かつ困難にするとともに、特に製造工程の自動化を阻害する要因となっていた。
【００２０】
他方、図２９の従来装置では、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とを横に並べて配置しているため、絶縁配線基板１００のサイズが小さく抑えられるという利点がある。しかしながら、基板を横に並べたため、それらの基板を固定するためにケース１６が底面部にも必要となった。すなわち、ケース１６の構造が複雑となるという別の問題が発生した。また、端子１４ａ、１４ｂの構造が図２８の従来装置と同様であるために、製造工程を自動化することが困難であった。
【００２１】
この発明は、従来の装置における上記した問題点を解消するためになされたもので、主回路の放熱効率を劣化させることなく、製造が容易で製造コストが節減される半導体パワーモジュールを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、外部の負荷への電力の供給を担う主電流の流れを制御する電力用半導体素子と当該電力用半導体素子の動作を制御する制御回路素子とを備える半導体パワーモジュールにおいて、熱良導性の平板状の金属基材の一方主面に、電気絶縁性でしかも熱良導性の接着剤によって、第１及び第２リードフレームが固着されており、前記第１リードフレームの上の所定部位に前記電力用半導体素子が固着されており、前記第２リードフレームの上の所定部位に、制御回路基板が固定されており、当該制御回路基板は、前記電力用半導体素子よりも厚みが厚い電気絶縁性の板状の制御回路基板本体と、当該制御回路基板本体の少なくとも一方主面上に配設された制御回路配線パターンとを備え、前記制御回路基板本体の他方主面が前記第２リードフレームに固着されることによって、前記制御回路基板が前記第２リードフレームの所定部位に固定されており、前記制御回路素子は、前記一方主面上において前記制御回路配線パターンの所定部位に接続されており、前記第１及び第２リードフレームは、それぞれ、外部との間で主電流および電気信号の入出力を行うための複数の端子を含んでいることを特徴とする。
【００２３】
第２の発明は、第１の発明の半導体パワーモジュールにおいて、前記接着剤が電気絶縁体の微粒子が混入された接着剤であることを特徴とする。
【００２４】
第３の発明は、第１の発明の半導体パワーモジュールにおいて、前記複数の端子の外方先端部、および前記金属基材の他方主面が露出するように、少なくとも、前記金属基材および前記リードフレームの露出面、前記制御回路基板本体の前記一方主面、前記電力用半導体素子、ならびに、前記制御回路素子が、樹脂で封止されていることを特徴とする。
【００２５】
【作用】
第１の発明の半導体パワーモジュールでは、金属基材の上にリードフレームが接着され、このリードフレームが、電力用半導体素子が固着される配線パターンとともに複数の端子をも兼ねている。このため、装置を製造する際に、端子を制御回路配線パターン等へハンダ付けによって固定する工程を必要としない。また、金属基材の上にリードフレームを接着されるために、主回路基板が必要とされない。
【００２６】
第２の発明の半導体パワーモジュールでは、接着剤に電気絶縁体の微粒子が混入されているので、リードフレームと金属基材との間の電気絶縁が接着剤によって確実に保証される。
【００２７】
第３の発明の半導体パワーモジュールでは、電力用半導体素子等が樹脂によって封止されているので、電力用半導体素子等の回路部品が外部から侵入する水分等から保護される。また、金属基材の他方主面が封止樹脂から露出しているので、金属基材を通じての放熱が封止樹脂によって妨げられない。
【００２８】
【実施例】
＜第１参考例＞
図１は、第１参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。なお、以下の図において、図２８に示した従来装置と同一部材あるいは同一の材料で構成され同様の機能を果たす部材については、同一符号を付してその詳細な説明を略する。図１において、１０２は電気絶縁性の樹脂で構成され、端子１４ａ、１４ｂを一体的に組み込むように成型された枠体である。枠体１０２は、側壁部とともに底面部を有し、上端が開放された箱状をなしている。
【００２９】
図２は、枠体１０２と絶縁配線基板１００の輪郭形状を示す概略平面図である。上述した図１は、図２におけるＡ−Ａ切断線に沿った断面図である。図２に示すように、枠体１０２の底面部の中央部には矩形の開口部３０が形成されており、この開口部３０を埋めるように矩形の絶縁配線基板１００が枠体１０２に固定されている。
【００３０】
図１に戻って、枠体１０２の開口部３０には絶縁配線基板１００が挿入されている。開口部３０の側壁（内周端面）の上端部には、内側に突出する突出部３０ａが設けられており、絶縁配線基板１００の上面端縁部がこの突出部３０ａに当接することによって、絶縁配線基板１００の上下方向の位置が容易に定められる。絶縁配線基板１００は、装置の搬送時等において開口部３０から下方に脱落しないように、接着剤１７によって開口部３０の側壁に固着されている。接着剤１７は、開口部３０の側壁と配線１０の外周端面とを互いに接着している。
【００３１】
このとき、絶縁配線基板１００の底面（言い替えるとアルミベース板１の底面）が、枠体１０２の底面よりも幾分下方に突出するように、絶縁配線基板１００の厚さと枠体１０２の底面部における突出部３０ａより下方の厚さとが調整されている。このため、この装置を例えば表面が平坦な通常の放熱板へ取り付けたときに、枠体１０２をネジ等で放熱板へ固定することによって、絶縁配線基板１００の底面を放熱板へ密着させることが可能である。すなわち、装置の放熱効率を高めることができる。このとき、突出部３０ａは接着剤１７とともに、絶縁配線基板１００が開口部３０を貫通して上方へ不必要に浮き上がることを防止する働きをもなす。
【００３２】
図３は、制御回路基板１０１とその周辺部を拡大して示す斜視断面図である。図３における断面は、図２におけるＡ−Ａ切断線に沿っている。図３に示すように、端子１４ａ、１４ｂはともに枠体１０２に埋め込まれている。すなわち、端子１４ａ、１４ｂは「Ｌ字」型に折曲げられた平板状であり、その直立部は頭部を残して枠体１０２の側壁部に埋め込まれており、頭部が枠体１０２の側壁部の上端面から上方へ突出している。他方の水平部はその上面が露出するとともに枠体１０２の底面部の上面と同一平面となるように、底面部に埋設されている。
【００３３】
制御回路基板１０１は、接着剤７によって枠体１０２の底面部の上面に固着されている。そうして、端子１４ｂと制御回路基板１０１の上面に形成された配線１０（図３では図示を略している）の所定の部位とが、ボンディングワイヤ６によって電気的に接続されている。図１に示したように、この装置の例では、複数個の制御回路基板１０１が同要領で取り付けられている。端子１４ａと絶縁配線基板１００の金属箔３の所定の部位との間も、同じくボンディングワイヤ６で電気的に接続されている（図１）。
【００３４】
このように、この参考例の装置では、端子１４ａ、１４ｂが枠体１０２と一体的に成型されているために、装置を製造する際に、従来装置で必要とされた端子１４ａ、１４ｂをハンダ付けによって固定する工程が必要でなくなる。また、ワイヤボンディング等の量産性に優れた方法によって制御回路基板１０１と端子１４ｂおよび、絶縁配線基板１００と端子１４ａの電気的接続を行うことが可能となる。したがって、製造工程が容易化されるとともに製造コストが節減される。
【００３５】
また、この参考例の装置では、絶縁配線基板１００の上に、主回路の部品を搭載できない領域が発生することはない。すなわち、高価な絶縁配線基板１００が、主回路が占める領域を超えて、不必要に大きなサイズで用いられることがない。このことも、製造コストの節減に寄与する。
【００３６】
＜第２参考例＞
図４は第２参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置は、第１参考例の装置とは、端子１４ａの水平部の先端部が開口部３０の端縁から内側に突出しており、代わりに突出部３０ａは設けられない点が特徴的に異なっている。すなわち、端子１４ａの先端部が、突出部３０ａに替わる機能、すなわち、絶縁配線基板１００の上下方向の位置決め機能を果たしている。しかも、この先端部の底面が、絶縁配線基板１００の上面に形成された金属箔３の所定部位に直接にハンダ付けあるいは溶接される。その結果、ボンディングワイヤ６を用いて接続する方法に比べて、はるかに容易かつ短時間で金属箔３が端子１４ａに電気的に接続される。
【００３７】
また、端子１４ａの先端部と金属箔３とのハンダ付け等を行うことで、電気的接続が実現すると同時に、絶縁配線基板１００が端子１４ａを介して枠体１０２に固定的に支持される。このため、絶縁配線基板１００と枠体１０２との間に接着剤１７を用いる必要がなくなる。すなわち、二重の意味で、製造工程の省力化および省時間化が得られる。
【００３８】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、端子１４ａ、１４ｂが一体的に成型された枠体１０２、金属箔３がパターニングされた絶縁配線基板１００、および配線１０がパターニングされた制御回路基板１０１を準備する。その後、電力用半導体素子５および電子部品１３を、絶縁配線基板１００上の金属箔３の所定部位および制御回路基板１０１上の配線１０の所定部位に、それぞれハンダ付けする。つぎに制御回路基板１０１を枠体１０２の底面部の上面に接着剤７を用いて固着する。
【００３９】
つぎに、絶縁配線基板１００を枠体１０２の開口部３０の中へ底面側から挿入する。開口部３０の内側へと突出する端子１４ａの先端部の底面と絶縁配線基板１００の上の銅箔層３の所定部位とが当接した状態で、それらの当接する部材の間を例えば局部ハンダ付け装置を用いることによって接合する。互いに接合される先端部と金属箔３との位置関係は、絶縁配線基板１００を開口部３０へ挿入することで必然的に定まるので、それらの位置合わせを特別に行う必要がない。
【００４０】
さらに、電力用半導体素子５と絶縁配線基板１００の上に形成された銅箔層３との間、端子１４ｂと制御回路基板１０１の上に形成された配線１０の所定部位との間等を、アルミワイヤ６でワイヤボンディングする。最後に、枠体１０２と絶縁配線基板１００とで囲まれる内部を封止樹脂１８で封止することによって装置が完成する。封止樹脂１８には、好ましくはエポキシ樹脂が用いられる。
【００４１】
このとき、絶縁配線基板１００と枠体１０２との間に間隙を設けることが好ましい。こうすることによって、封止樹脂１８が絶縁配線基板１００と枠体１０２の間の間隙にまで容易に浸潤し、この間隙が封止樹脂１８によって確実に充填されるので、装置の外部から内部への水分等の進入を防止することができる。また同時に、枠体１０２と電力用半導体素子５などの発熱によって温度が上昇する絶縁配線基板１００との間に熱応力が発生することが防止されるので、熱応力に起因するそれらの接続部の破損事故が防止されるという利点も得られる。すなわち、二重の意味で装置の信頼性が向上する。
【００４２】
なお、間隙の大きさは、封止樹脂１８が確実に充填されるとともに、熱応力の発生を抑える効果を得る上で、２００μｍ程度以上とすることが望ましい。
【００４３】
＜第３参考例＞
第１参考例および第２参考例では、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが、横に並列に配置されたが、それらを互いにある角度をもって配置することによって、装置の高密度化を図ることが可能となる。ここでは、その一例について説明する。
【００４４】
図５はこの参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、制御回路基板１０１が枠体１０２の側壁部の内側表面に取り付けられている点が、第１参考例の装置とは特徴的に異なっている。制御回路基板１０１は、接着剤７で側壁部の内側に固着されている。すなわち、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１は、直角の角度をもって互いに配置されている。
【００４５】
このように、枠体１０２の側壁が有効利用されるので、枠体１０２の底面部が縮小される。すなわち、装置の寸法上最も重要な装置の底面部の寸法が縮小され、その結果、取扱いの容易な小型の装置が実現する。
【００４６】
図６は、制御回路基板１０１とその周辺部を拡大して示す斜視断面図である。図６に示すように、端子１４ｂの水平部の先端部１４ｃは直立するように折曲げられている。そうして、制御回路基板１０１は、この直立する先端部１４ｃと枠体１０２の側壁との間に挟み込まれるように取り付けられている。しかも、制御回路基板１０１が備える配線１０の所定の部位と先端部１４ｃとが当接するように、制御回路基板１０１の位置決めがなされている。
【００４７】
配線１０の所定の部位と先端部１４ｃとは、ハンダ付けによって確実に電気的に接続されている。このハンダ付けを行うには、制御回路基板１０１が固定される前に、配線１０の所定の部位と先端部１４ｃとに、それぞれ予備ハンダを塗布しておくとよい。そうすることによって、容易かつ確実にハンダ付けが行われる。このように、制御回路基板１０１が直立しているためにボンディングワイヤ６の使用が容易でない配線１０と端子１４ｂとの間の電気的接続が、ハンダ付けによって、直接に容易に行われる。
【００４８】
この参考例では、制御回路基板１０１が直立する例を示したが、側壁部の内側表面が斜め上方を向くように底面部に対して傾斜した枠体１０２を用い、制御回路基板１０１を側壁部の内側表面に固着することによって、制御回路基板１０１を絶縁配線基板１００に対して斜めに傾斜するように配置してもよい。この場合にも、傾斜の度合いに応じて、装置の底面部の寸法が縮小される。
【００４９】
＜第４参考例＞
つぎに、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが互いにある角度をもって配置された半導体パワーモジュールのもう一つの例について説明する。図７は、この装置例における制御回路基板とその周辺部分を拡大して示す斜視断面図である。また、図８は、図７におけるＢ−Ｂ切断線に沿った断面図である。この装置では、制御回路基板１０１として、いわゆるフレキシブル基板３４が用いられている。
【００５０】
フレキシブル基板３４は、代表的には0.1mm程度の厚さのポリイミドなどの機械的強度の高い樹脂で構成される基板本体３２の片面ないし両面に、代表的には0.05mm程度の厚さの導電性の金属箔３３を付着させた構造の基板である。金属箔３３が基板本体３２の内部の層にも形成された、多層基板の形態を有するものも周知である。金属箔３３は、通常の回路基板と同様に、目的に応じてパターニングした上で使用に供される。フレキシブル基板３４は、その厚さが小さいために、柔軟に折曲げて使用可能である点、すなわち可とう性を有する点が最も重要な特徴となっている。
【００５１】
図７および図８に示すように、制御回路基板１０１としてのフレキシブル基板３４の主要部が、枠体１０２の内側の側壁に沿って接着剤７で貼着されている。さらに、フレキシブル基板３４の下端部は、枠体１０２の底面部の上面に沿うように折曲げられている。そして、この下端部の貼着面に形成される金属箔３３の所定の部位と端子１４ｂとが互いに重なっており、それらの間がハンダ付けによって電気的に接続されている。
【００５２】
以上のように、この参考例の装置では、制御回路基板１０１として可とう性を有するフレキシブル基板３４が用いられるために、端子１４ｂの水平部の先端部を折曲げることなく、枠体１０２の側壁に沿って固定された制御回路基板１０１と端子１４ｂとの電気的接続が容易に行われる。
【００５３】
＜第５参考例＞
図９は、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが互いにある角度をもって配置された半導体パワーモジュールのさらに別の例を示す正面断面図である。この装置においても、第４参考例の装置と同様に、制御回路基板１０１としてフレキシブル基板３４が用いられている。この装置では、フレキシブル基板３４は、枠体１０２の側壁に貼着された部分からさらに上方に長く延びており、しかもこの延長部は絶縁配線基板１００の上方を覆うように水平方向に折曲げられている。
【００５４】
そして、制御回路を構成する電子部品１３は、この水平方向に延びた延長部に取り付けられている。すなわち、電子部品１３が絶縁配線基板１００の上方に立体的に配置されている。このため、枠体１０２の側壁の高さを低くすることによって、装置のさらなる小型化が可能となる。
【００５５】
＜第６参考例＞
図１０は第６参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図１０に示すように、この装置では、枠体１０２が設けられず、制御回路基板１０１に設けられた開口部４０の側壁に、絶縁配線基板１００の外周端面が直接に接合されている。
【００５６】
図１１は、制御回路基板１０１と絶縁配線基板１００の輪郭形状を示す概略平面図である。図１０は、図１１におけるＣ−Ｃ切断線に沿った断面図である。図１１に示すように、制御回路基板１０１の中央部には矩形の開口部４０が形成されており、この開口部４０に矩形の絶縁配線基板１００が嵌め込まれている。
【００５７】
図１０に戻って、開口部４０に嵌合する絶縁配線基板１００の上面（電力用半導体素子５が取り付けられる主面）と制御回路基板１０１の上面（電子部品１３が取り付けられる主面）とは、略同一平面となるように、双方の基板の上下方向の相対位置が定められている。このため、双方の基板の上のハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、一括的に印刷することが可能となる。すなわち、製造工程において、双方の基板をあたかも平坦な一つの基板であるかのように取り扱うことができる。その結果、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【００５８】
絶縁配線基板１００の厚さは、制御回路基板１０１よりも大きく設定されている。このため、絶縁配線基板１００の底面（言い替えるとアルミベース板１の底面）は、制御回路基板１０１の底面よりも下方に突出する。その結果、制御回路基板１０１の底面における開口部４０の周辺部と絶縁配線基板１００の外周端面との間に角（かど）部が形成される。この角部に接着剤１７を供給することによって、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが強固に固着されている。すなわち、双方の基板が互いに直接に固定されている。このため、この装置では、枠体１０２等のケースが不要である。
【００５９】
制御回路基板１０１の上面の外周部には複数の端子１４ａ、１４ｂが配設されている。端子１４ａ、１４ｂは、制御回路基板１０１の上面に形成されている配線１０の所定の部位に、ハンダ１５ａ、１５ｂによってそれぞれハンダ付けされている。なお、図１０には、これらの中の端子１４ｂ、ハンダ１５ｂのみが、代表として描かれている。
【００６０】
端子１４ａ、１４ｂの外側先端部と絶縁配線基板１００の底面部分とのみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。封止樹脂１８は、制御回路基板１０１の底面および接着剤１７をも覆うように設けられる。絶縁配線基板１００は、その底面が封止樹脂１８の底面よりもさらに下方へ突出するように、その厚さが十分な大きさに設定されている。このため、この装置を例えば表面が平坦な通常の放熱板へ取り付けたときに、絶縁配線基板１００の底面を放熱板へ密着させることが可能である。
【００６１】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、制御回路基板１０１と絶縁配線基板１００を準備する。そうして、絶縁配線基板１００を制御回路基板１０１の開口部４０に嵌挿し、双方の上面を略同一平面に揃えた状態で接着剤７を用いて双方の基板を接着する。
【００６２】
つぎに、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、それぞれ所定の部位に一括的に印刷する。その後、電力用半導体素子５、電子部品１３、および端子１４ａ、１４ｂを、ハンダが印刷によって塗布された所定の部位に載置する。そうして、昇温と後続する冷却とを行うことによって、電力用半導体素子５、電子部品１３、および端子１４ａ、１４ｂを、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂによって所定の部位に固着する。
【００６３】
つぎに、電力用半導体素子５と金属箔３との間、金属箔３と配線１０との間等を、アルミワイヤ６でワイヤボンディングする。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。この装置においても、封止樹脂１８には、電気絶縁性に加えて耐熱性、機械的強度、封止の容易さ等に優れるエポキシ樹脂が適している。
【００６４】
＜第７参考例＞
図１２は第７参考例の半導体パワーモジュールの断面図である。また、図１３は、この参考例の装置の制御回路基板１０１の斜視断面図である。図１２および図１３に示すように、この装置では、配線１０および端子１４ａ、１４ｂが制御回路基板本体９の上面に埋め込まれている点が、第６参考例の装置とは特徴的に異なっている。すなわち、この装置では、制御回路基板１０１としてインサート基板１０３が用いられている。なお、図１２および図１３では、端子１４ａ、１４ｂを代表して、端子１４ｂのみが描かれているが、端子１４ａも同様に制御回路基板本体９の上面に埋め込まれている。
【００６５】
このように、端子１４ａ、１４ｂが制御回路基板本体９と一体的に成型されたインサート基板１０３が用いられるために、端子１４ａ、１４ｂを配線１０の上にハンダ付けする必要がない。また、端子１４ａ、１４ｂおよび配線１０は、いずれもその上面が制御回路基板本体９の上面と同一平面となるように、制御回路基板本体９に埋設されている。このため、電子部品１３を配線１０の上だけでなく、端子１４ａ、１４ｂの上にも直接に固着することが可能である。すなわち、端子１４ａ、１４ｂは、あたかも配線１０の一部であるかのように取り扱うことができる。
【００６６】
以上のように、この装置では製造工程が簡略化され、その結果、製造コストも節減される。
【００６７】
＜第８参考例＞
図１４は、第８参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、端子１４ａの先端部が開口部４０の端縁から内側に突出しており、その先端部の底面が、絶縁配線基板１００の上面の金属箔３の所定部位に直接にハンダ付け、ろう付け、あるいは溶接されることによって、インサート基板１０３と絶縁配線基板１００とが互いに固定されている点が、第７参考例の装置とは特徴的に異なっている。
【００６８】
したがって、ボンディングワイヤ６を用いて接続する方法に比べて、はるかに容易かつ短時間で金属箔３が端子１４ａに電気的に接続される。しかも、端子１４ａの先端部と金属箔３とのハンダ付け等を行うことで、電気的接続が実現すると同時に、絶縁配線基板１００がインサート基板１０３に固定的に支持される。このため、接着剤１７を用いて長時間をかけて絶縁配線基板１００とインサート基板１０３とを接着する必要がなくなる。すなわち、二重の意味で、製造工程の省力化および省時間化が得られる。
【００６９】
端子１４ａと金属箔３との間の固着には、電子部品１３および電力用半導体素子５を固着するために用いられるハンダよりも融点の高いハンダ、あるいはハンダよりも融点の高いロウ材が用いられる。あるいは、溶接によって固着してもよい。そうすることによって、一体化された絶縁配線基板１００とインサート基板１０３との上に、ハンダを一括印刷して電力用半導体素子５および電子部品１３を同時に固着することが可能となる。すなわち、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００７０】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。まず、配線１０とともに端子１４ａ、１４ｂが一体的に成型されたインサート基板１０、および、金属箔３がパターニングされた絶縁配線基板１００を準備する。
【００７１】
つぎに、絶縁配線基板１００をインサート基板１０３の開口部４０の中へ底面側から挿入する。開口部４０の内側へと突出する端子１４ａの先端部の底面と絶縁配線基板１００の上の銅箔層３の所定部位とが当接した状態で、それらの当接する部材の間を、例えばレーザ溶接を用いて固着する。その結果、金属箔３と端子１４ａとの間の電気的接続と、双方の基板の間の固定とが同時に実現する。互いに接合される端子１４ａの先端部と金属箔３との位置関係は、絶縁配線基板１００を開口部４０へ挿入することで必然的に定まるので、それらの位置合わせを特別に行う必要がない。
【００７２】
つぎに、ハンダ４、１２を、それぞれ所定の部位に一括的に印刷する。その後、電力用半導体素子５および電子部品１３を、ハンダが印刷によって塗布された所定の部位に載置する。そうして、昇温と後続する冷却とを行うことによって、これらの電力用半導体素子５、電子部品１３を、ハンダ４、１２によって所定の部位に固着する。
【００７３】
つぎに、電力用半導体素子５と銅箔層３との間、および金属箔３と配線１０の間を、アルミワイヤ６でワイヤボンディングする。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【００７４】
なお、絶縁配線基板１００と枠体１０２との間には、間隙を設けることが好ましい。こうすることによって、封止樹脂１８が絶縁配線基板１００とインサート基板１０３の間の間隙にまで容易に浸潤し、この間隙が封止樹脂１８によって確実に充填されるので、装置の外部から内部への水分等の進入を防止することができる。また同時に、インサート基板１０３と電力用半導体素子５などの発熱によって温度が上昇する絶縁配線基板１００との間に熱応力が発生することが防止されるので、熱応力に起因するそれらの接続部の破損事故が防止されるという利点も得られる。すなわち、二重の意味で装置の信頼性が向上する。
【００７５】
なお、間隙の大きさは、封止樹脂１８が確実に充填されるとともに、熱応力の発生を抑える効果を得る上で、２００μｍ程度以上とすることが望ましい。
【００７６】
＜第９参考例＞
図１５は、第９参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図１５に示すように、この装置は、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材１０４を備えている。
【００７７】
図１６は、絶縁配線基板１００と金属基材１０４の輪郭形状を示す概略平面図である。図１６に示すように、金属基材１０４の中央部には矩形の開口部５０が形成されており、この開口部５０に矩形の絶縁配線基板１００が嵌め込まれている。上述した図１５は、図１６におけるＤ−Ｄ切断線に沿った断面図である。
【００７８】
図１５に戻って、開口部５０に嵌挿されたアルミベース板１の外周端面が、接着剤で開口部５０の側壁（内周端面）に接着されることによって、絶縁配線基板１００と金属基材１０４とが互いに固定されている。このため、アルミベース板１と金属基材１０４とは、接着剤を介して互いに結合している。金属基材１０４の上には、制御回路基板１０１が設置されている。制御回路基板１０１は接着剤７で金属基材１０４の上に固着されている。
【００７９】
制御回路基板１０１の上面の外周部には複数の端子１４ａ、１４ｂが配設されている。端子１４ａ、１４ｂは、制御回路基板１０１の上面に形成されている配線１０の所定の部位に、ハンダ１５ａ、１５ｂによってそれぞれハンダ付けされている。図１５には、これらの中の端子１４ｂ、ハンダ１５ｂのみが、代表として描かれている。端子１４ａ、１４ｂの外側先端部、絶縁配線基板１００の底面部分、および、金属基材１０４の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【００８０】
絶縁配線基板１００の上の金属箔３の所定の部位には電力用半導体素子５が固着されている。電力用半導体素子５は、ボンディングワイヤ６によって他の配線部材と電気的に接続されるが、この装置では、電力用半導体素子５がボンディングワイヤ６を通じて接続される配線部材は制御回路基板１０１の上の配線１０に限られる。すなわち、電力用半導体素子５はボンディングワイヤ６を介して配線１０に直接に接続され、ボンディングワイヤ６と配線１０との間に金属箔３を介さない。このため、金属箔３の面積は、電力用半導体素子５を固着するのに必要な大きさに限られる。その結果、絶縁配線基板１００の面積が最小限に抑えられる。すなわち、高価な絶縁配線基板１００を最大限に節減することができる。
【００８１】
絶縁配線基板１００の面積が少なくなっても、絶縁配線基板１００のアルミベース板１と金属基材１０４とは互いに固着されているために、電力用半導体素子５からアルミベース板１へと伝わった熱が金属基材１０４へとさらに伝わるので、放熱効率の低下を招かない。
【００８２】
また、好ましくは、図１５に示すように、絶縁配線基板１００の底面と金属基材１０４の底面とが同一平面上に並ぶように、双方の上下方向の相対位置が定められる。そうすることで、金属基材１０４はアルミベース板１とともに、表面が平坦な外部の放熱板等へ密着可能となるので、電力用半導体素子５からアルミベース板１へと伝わった熱が、金属基材１０４をも通じて放熱板等へ放散される。その結果、放熱の効率がさらに高まる。
【００８３】
絶縁配線基板１００の上面と制御回路基板１０１の上面とは、略同一平面となるように、絶縁配線基板１００、金属基材１０４、および制御回路基板１０１の厚さが最適化されている。例えば、絶縁配線基板１００の底面と金属基材１０４の底面とを同一平面上に揃えるときには、絶縁配線基板１００の厚さは、金属基材１０４の厚さと制御回路基板１０１の厚さの和に略一致するように設定されている。
【００８４】
そうすることによって、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とを金属基材１０４に固定した後に、双方の基板の上の所定の部位に、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、一括的に印刷することが可能となる。すなわち、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【００８５】
また、この参考例の装置では、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが金属基材１０４を通じて結合するので、機械的強度が高いという利点がある。さらに、金属基材１０４は、単に開口部を有する平板形状をなしており、その構造は単純である。すなわち、金属基材１０４は、図２９の従来装置におけるケース１６に比べて、製造が容易で、しかも製造コストが低廉である。しかも、上述したように、金属基材１０４を用いることによって、高価な絶縁配線基板１００が節減されるので、製造コストはさらに低廉となる。
【００８６】
＜第１０参考例＞
図１７は、第１０参考例の半導体パワーモジュールの正面断面図である。図１７に示すように、この装置は、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材１０５を備えている。そうして、この金属基材１０５の上に、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが設置されている。
【００８７】
図１８は、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１の輪郭形状を示す概略平面図である。図１８に示すように、矩形の金属基材１０５の上に、矩形の絶縁配線基板１００と同じく矩形の制御回路基板１０１とが、互いに隣接するように横に並べられている。上述した図１７は、図１７におけるＥ−Ｅ切断線に沿った断面図である。
【００８８】
図１７に戻って、絶縁配線基板１００の底面と金属基材１０５の上面とが、接着剤１９で接着されることによって、絶縁配線基板１００は金属基材１０５の上に固定されている。また、制御回路基板１０１の底面と金属基材１０５の上面とが、接着剤７で接着されることによって、制御回路基板１０１は金属基材１０５の上に固定されている。これらの接着剤の中で、少なくとも接着剤１９には、耐熱性に優れるとともに熱伝導性の高い材料が選ばれる。
【００８９】
絶縁配線基板１００の上面の制御回路基板１０１と隣接する部分を除く外周部には、端子１４ａが配設されている。端子１４ａは、絶縁配線基板１００の上面に形成されている金属箔３の所定の部位に、ハンダ１５ａによってハンダ付けされている。同様に、制御回路基板１０１の上面の絶縁配線基板１００と隣接する部分を除く外周部には、端子１４ｂが配設されている。端子１４ｂは、制御回路基板１０１の上面に形成されている配線１０の所定の部位に、ハンダ１５ｂによってハンダ付けされている。
【００９０】
端子１４ａ、１４ｂの外側先端部、および、金属基材１０５の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【００９１】
絶縁配線基板１００の上の金属箔３の所定の部位には、電力用半導体素子５がハンダ４によって固着されている。電力用半導体素子５は、ボンディングワイヤ６によって金属箔３と電気的に接続されている。また、絶縁配線基板１００の上の金属箔３の所定の部位と、制御回路基板１０１の上の配線１０の所定の部位との間も、ボンディングワイヤ６によって電気的に接続されている。また、配線１０の所定の部位には、電子部品１３がハンダ１２によって固着されている。
【００９２】
絶縁配線基板１００の上面と制御回路基板１０１の上面とは、略同一平面となるように、絶縁配線基板１００、および制御回路基板１０１の厚さが調整されている。そうすることによって、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とを金属基材１０５に固定した後に、双方の基板の上の所定の部位に、ハンダ４、１２、１５ａ、１５ｂを、一括的に印刷することが可能となる。その結果、製造プロセスが簡素化されるという利点が得られる。
【００９３】
絶縁配線基板１００の底面すなわちアルミベース板１の底面は、金属基材１０５に固着されているので、電力用半導体素子５で発生した熱は、アルミベース板１から、それよりも広い金属基材１０５へと伝わり、外部の放熱板等へと放散される。このため、良好な放熱効率が得られるという利点がある。また、接着剤１９が用いられるために、アルミベース板１から金属基材１０５への熱の伝導を妨げることなく、絶縁配線基板１００を金属基材１０５の上へ容易に固定することができる。また、接着剤１９は耐熱性であるために、熱による特性の劣化の恐れがない。
【００９４】
また、絶縁配線基板１００と制御回路基板１０１とが金属基材１０５を通じて結合するので、機械的強度が高いという利点がある。さらに、金属基材１０５は、単なる平板形状の金属板であり、その構造はきわめて単純である。すなわち、金属基材１０５は、図２９の従来装置におけるケース１６に比べて、製造が容易で、しかも製造コストが低廉である。すなわち、低廉なコストで高い機械的強度と良好な放熱効率とが得られるという利点がある。
【００９５】
＜第１１参考例＞
図１９は、第１１参考例の半導体パワーモジュールの一部を拡大して示す拡大断面図である。この装置では、金属基材１０５の上面の一部に凸部５１が設けられている点、言い替えると金属基材１０５の上面の一部が凸部５１の形状に盛り上がっている点が、第１０参考例の装置とは特徴的に異なっている。凸部５１の上面は平坦である。他の部分の構成は、第１０参考例の装置と同様である。
【００９６】
凸部５１は、絶縁配線基板１００が固着される領域内の電力用半導体素子５の直下の部位に設けられている。そうすることによって、絶縁配線基板１００が金属基材１０５の上に接着剤１９を介して固着されるときに、大きな加圧力を印加することなく、電力用半導体素子５の直下の接着剤１９が容易にその周辺部へと流出させ、電力用半導体素子５の直下の接着剤１９の厚さを選択的に小さくすることができる。その結果、電力用半導体素子５で発生した熱が、より効果的に金属基材１０５へと伝達するので、放熱効率が一層向上する。
【００９７】
＜第１２参考例＞
つぎに第１２参考例の半導体パワーモジュールについて説明する。この参考例の装置では、金属基材１０５と絶縁配線基板１００のアルミベース板１とが、一部において溶接されている点が、第１０参考例の装置とは特徴的に異なっており、他の部分の構成は、第１０参考例の装置と同様である。図２０および図２１は、この参考例の装置の溶接される部位を示す正面断面図および平面図である。図２０は図２１におけるＦ−Ｆ切断線に沿った断面図である。これらの図において、４２は溶接によって形成された金属の架橋である。
【００９８】
これらの図に示すように、溶接は、絶縁配線基板１００の外周端面に沿った複数箇所（図２１では２箇所を例示している）において行われている。しかも、金属架橋４２が、アルミベース板１の底面と金属基材１０５の上面との間にも形成されるように、溶接箇所においては、接着剤１９がアルミベース板１および金属基材１０５の外周端面から、適度な深さに除去されている。そうして、金属架橋４２は、外周端面から内側へと侵入するように形成されている。このため、高い溶接強度が得られる。
【００９９】
このように、絶縁配線基板１００と金属基材１０５とが溶接されるために、アルミベース板１と金属基材１０５との間の熱的接触が、長期的に保証される。すなわち、放熱効率に対して高い長期的信頼性が得られる。特に、絶縁配線基板１００を金属基材１０５へと加圧しつつ溶接を実行することによって、接着剤１９が常に加圧された状態に置かれるので、放熱効率に対して一層高い長期的信頼性が得られる。
【０１００】
＜第１３参考例＞
図２２は、第１３参考例の半導体パワーモジュールの特徴部を示す断面図である。図２２において、４３は溶接によって形成される金属架橋である。この装置では、アルミベース板１と金属基材１０５の外周端面の溶接箇所において、凹部が設けられており、金属架橋４３がこの凹部に形成されている点が、第１２参考例の装置とは特徴的に異なっており、他の部分の構成は、第１２参考例の装置と同様である。
【０１０１】
この装置では、溶接箇所に凹部が設けられるので、溶接時の加圧および加熱に起因するアルミベース板１および金属基材１０５の変形を、凹部に限定することができる。その結果、金属基材１０５の底面の平坦度が確保されるので、金属基材１０５の底面と外部の放熱板との間の良好な熱的接触が保証されるという利点が得られる。
【０１０２】
＜実施例１＞
図２３および図２４は、それぞれ実施例１の半導体パワーモジュールの正面断面図および斜視断面図である。この装置では、絶縁配線基板１００は用いられず、アルミニウム等の熱良導性の金属で構成された金属基材１０７の上に、熱良導性の接着剤１９によってリードフレーム１０６が固着されており、このリードフレーム１０６の上に、電力用半導体素子５および制御回路基板１０１が固着されている。電力用半導体素子５で発生する熱は、接着剤１９および金属基材１０７を効率よく伝わり、外部の放熱板等へと速やかに放散される。すなわち、放熱効率が良好である。
【０１０３】
また、リードフレーム１０６は、主回路の配線パターンを構成するとともに、外部装置との主電流の受け渡しを行うための端子１４ａ、入出力信号の受け渡しを行う端子１４ｂをも構成している。すなわち、リードフレーム１０６は、例えば第１０参考例における金属箔３と端子１４ａ、１４ｂとの双方を兼ねている。製造工程で準備されるリードフレーム１０６には、図示しないタイバが周縁部に設けられており、このタイバを通じて全体が一体的に連結されている。リードフレーム１０６は、金属基材１０７の上に固着された後に、タイバが切除されることによって、連結が解除され、複数の孤立した部分へと切り離される。
【０１０４】
電力用半導体素子５とリードフレーム１０６の所定の部位との間、および、制御回路基板１０１の上の配線１０とリードフレーム１０６の所定の部位との間は、ボンディングワイヤ６で電気的に接続されている。図２３および図２４には、制御回路基板１０１が、二つの制御回路基板１０１ａ、１０１ｂに分割されている例を示している。このように、制御回路基板１０１は、複数の部分に分割されていてもよい。
【０１０５】
端子１４ａ、１４ｂの外側先端部、および、金属基材１０７の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【０１０６】
この実施例の装置は、以上のように構成されるので、端子１４ａ、１４ｂを別途準備した上で、金属箔３あるいは配線１０へとハンダ付けによって接続する必要がない。また、高価な絶縁配線基板１００を用いることなく、良好な放熱特性が得られる。すなわち、製造工程が簡略化されるとともに製造コストが節減される。さらに、主回路と制御回路とが、上下２層に配設されるので、装置の高密度化、小型化が可能であるという利点も得られる。
【０１０７】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。はじめに、平板状の金属基材１０７とリードフレーム１０６とを準備する。リードフレーム１０６の周縁部には、全体を一体的に連結する図示しないタイバが形成されている。そうして、金属基材１０７の上に、接着剤１９を用いてリードフレーム１０６を固着する。その後、タイバを切除して、リードフレーム１０６をいくつかの孤立した部分へと切り離す。
【０１０８】
つぎに、電力用半導体素子５を、リードフレーム１０６の上の所定の部位に、ハンダ４でハンダ付けする。その後、電子部品１３があらかじめ搭載された制御回路基板１０１を、接着剤７を用いてリードフレーム１０６の上に固着する。つづいて、ボンディングワイヤ６を用いて、電力用半導体素子５とリードフレーム１０６の所定の部位との間、および、制御回路基板１０１の上の配線１０とリードフレーム１０６の所定の部位との間を電気的に接続する。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【０１０９】
金属基材１０７とリードフレーム１０６とを接着する接着剤１９として、絶縁体の微粒子が混入された接着剤を用いるのが望ましい。そうすることによって、接着剤１９の厚さが所定の大きさに容易に調整されるので、金属基材１０７とリードフレーム１０６との間に、高い熱伝導性とともに、所望の高さの絶縁耐圧が容易に確保される。混入する微粒子として、微粒子の径よりも結晶粒径の小さいＡｌＮ（窒化アルミニウム）が、特に適している。
【０１１０】
＜実施例２＞
図２５は、実施例２の半導体パワーモジュールの正面断面図である。この装置では、絶縁配線基板１００の上に形成された金属箔３に、電力用半導体素子５とリードフレーム１０８とが固着されている。電力用半導体素子５はハンダ４で固着されており、他方のリードフレーム１０８は、例えばエポキシ系接着剤などの安価な接着剤２０で固着されている。
【０１１１】
この装置では、リードフレーム１０８は、制御回路の配線パターン、主回路の配線パターン、および外部装置との電気的接続のための端子を構成している。このため、絶縁配線基板１００の上に形成される金属箔３を少なくして、高価な絶縁配線基板１００の面積を縮小することができる。また、制御回路の電子部品１３は、リードフレーム１０８の上の所定部位にハンダ付けされる。電子部品１３は、ベアチップ部品（樹脂等でモールドされない裸のチップから成る回路素子）であってもよい。電力用半導体素子５は、ボンディングワイヤ６によって、リードフレーム１０８の所定の部位に電気的に接続されている。
【０１１２】
リードフレーム１０８の端子に相当する部分の先端部、および、絶縁配線基板１００を構成するアルミベース板１の底面部分のみを残して、他のすべての部材は封止樹脂１８によって封止されている。これによって、装置の内部が保護されている。
【０１１３】
この実施例の装置は、以上のように構成されるので、端子を別途準備した上で、金属箔３等へとハンダ付けする必要がない。また、制御回路基板１０１を準備する必要もない。さらに、上述したように、高価な絶縁配線基板１００を節減することができる。このため、製造工程が簡略化されるとともに製造コストが節減される。また、接着剤２０として、テープ状接着剤を用いることによって、製造工程の作業性を、さらに改善することができる。
【０１１４】
この装置の製造工程は、つぎの通りである。はじめに、絶縁配線基板１００の上に形成されている金属箔３の上の所定部位に、ハンダ４を用いて電力用半導体素子５をハンダ付けする。つぎに、あらかじめベアチップ部品などの電子部品１３が搭載されたリードフレーム１０８を、接着剤２０で金属箔３の上の所定部位に固着する。
【０１１５】
リードフレーム１０８は、その周縁部に設けられるタイバ（図示を略する）によって、全体が一体的に連結している。そして、金属箔３の上に固着した後に、タイバを切除して、リードフレーム１０８をいくつかの孤立した部分へと切り離す。その後、ボンディングワイヤ６を用いて、電力用半導体素子５とリードフレーム１０８の所定部位との間、および電子部品１３とリードフレーム１０８の所定部位との間を電気的に接続する。最後に、封止樹脂１８で装置の内部を封止することによって装置が完成する。
【０１１６】
以上のように、一体的に連結したリードフレーム１０８を、絶縁配線基板１００の上に固定し、その後、タイバカットを行うことによって、主回路の配線パターン、制御回路の配線パターン、および端子を同時に形成できるので、作業の能率が高いという利点がある。
【０１１７】
また、製造工程の順序を一部入れ換えて、電子部品１３が搭載されないリードフレーム１０８を、金属箔３の所定部位に固着した後に、電力用半導体素子５と電子部品１３とを同時に、金属箔３およびリードフレーム１０８の所定部位にそれぞれ固着してもよい。そうすることによって、ハンダの一括印刷が可能になるので、工程がさらに簡略となる。また、電子部品１３としてベアチップ部品を使用した場合に、機械的強度の低いベアチップ部品をリードフレーム１０８の上に搭載した状態で搬送する必要がないので、搬送時の破損、損傷を回避することができる。
【０１１８】
＜実施例３＞
図２６は、実施例３の装置のリードフレームの斜視図である。この装置では、リードフレーム１０８の代わりに、厚さが全体にわたって一定ではなく、流れる電流の大きさに応じて各部分毎に異なっているリードフレーム１０９が用いられている点が、実施例２の装置とは特徴的に異なっており、その他の部分は、実施例２の装置と同様である。すなわち、リードフレーム１０９の中で、主電流が流れる主回路の配線パターン１０９ａおよび端子１４ａは、微弱な電流のみが流れる制御回路の配線パターン１０９ｂおよび端子１４ｂよりも、厚く形成されている。例えば、前者は３００μｍの厚さに形成され、後者は１５０μｍの厚さに形成される。
【０１１９】
この実施例の装置は、このように構成されるので、制御回路の配線パターン１０９ｂを微細化することによって、制御回路を高密度化することができ、その結果、装置を小型化することができる。
【０１２０】
厚さが一定でないリードフレーム１０９を容易に形成するために、例えば、厚い部分である配線パターン１０９ａ、端子１４ａと、薄い部分である配線パターン１０９ｂ、端子１４ｂとを個別に形成して、両者を重ね合わせて接着するとよい。
【０１２１】
図２７は、厚さが一定でないリードフレーム１０８を形成するための別の方法を示す工程図である。この方法では、はじめに、図２７（ａ）に示すように、主回路の配線パターン１１０ａおよびこれに連結する端子と、制御回路の配線パターン１１０ｂおよびこれに連結する端子とを、一定の厚さで構成するリードフレーム１１０を準備する。リードフレーム１１０の厚さは、例えば１５０μｍである。
【０１２２】
同時に、主回路の配線パターン１１０ａおよびこれに連結する端子とを構成するもう一つのリードフレーム１１１を準備する。リードフレーム１１１の厚さは、例えば１５０μｍであり、その平面形状は、配線パターン１１０ａと同一である。
【０１２３】
つぎに、図２７（ｂ）に示すように、リードフレーム１１０の上にリードフレーム１１１を重ね、ハンダ付けする。ハンダ付けは、互いに接触する配線パターン１１０ａとリードフレーム１１１の双方の表面にあらかじめハンダメッキを施した後に、重ねて加熱することによって容易に実行可能である。その結果、配線パターン１１０ａとリードフレーム１１１とによって、厚い配線パターン１０９ａが形成され、配線パターン１１０ｂは、そのまま薄い配線パターン１０９ｂとなる。
【０１２４】
以上のように、図２７の方法では、あらかじめ薄いリードフレームのみが準備されるので、リードフレームの加工が容易であるという利点がある。すなわち、装置の製造工程における作業性が向上するという利点がある。
【０１２５】
＜変形例＞
以上の実施例では、絶縁配線基板１００においてアルミベース板１と金属箔３との間に介挿される絶縁層２の材料として、エポキシ系樹脂を例示したが、耐熱性に優れた絶縁材であれば、他の樹脂であってもよい。また、樹脂に限らず、例えばセラミクスであってもよい。例えば、セラミクスの絶縁層２の両面に金属を接合してなる周知の絶縁配線基板を使用することも可能である。
【０１２６】
【発明の効果】
第１の発明の半導体パワーモジュールでは、金属基材の上にリードフレームが接着され、このリードフレームが、電力用半導体素子が固着される配線パターンとともに複数の端子をも兼ねている。このため、装置を製造する際に、端子を制御回路配線パターン等へハンダ付けによって固定する工程を必要としない。また、金属基材の上にリードフレームを接着することで、主回路基板を必要とせず、電力用半導体素子が直接に固着されるので、コストが節減される。
【０１２７】
第２の発明の半導体パワーモジュールでは、接着剤に電気絶縁体の微粒子が混入されているので、リードフレームと金属基材との間の電気絶縁が接着剤によって確実に保証される。
【０１２８】
第３の発明の半導体パワーモジュールでは、電力用半導体素子等が樹脂によって封止されているので、電力用半導体素子等の回路部品が外部から侵入する水分等から保護される。このため、装置の信頼性および寿命が向上する。また、金属基材の他方主面が封止樹脂から露出しているので、放熱効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例の装置の正面断面図である。
【図２】 第１参考例の絶縁配線基板と枠体の平面図である。
【図３】 第１参考例の枠体の斜視断面図である。
【図４】 第２参考例の装置の正面断面図である。
【図５】 第３参考例の装置の正面断面図である。
【図６】 第３参考例の枠体の斜視断面図である。
【図７】 第４参考例の枠体の斜視断面図である。
【図８】 第４参考例の枠体の正面断面図である。
【図９】 第５参考例の装置の正面断面図である。
【図１０】 第６参考例の装置の正面断面図である。
【図１１】 第６参考例の絶縁配線基板と制御回路基板の平面図である。
【図１２】 第７参考例の装置の正面断面図である。
【図１３】 第７参考例のインサート基板の斜視断面図である。
【図１４】 第８参考例の装置の正面断面図である。
【図１５】 第９参考例の装置の正面断面図である。
【図１６】 第９参考例の絶縁配線基板と金属基材の平面図である。
【図１７】 第１０参考例の装置の正面断面図である。
【図１８】 第１０参考例の絶縁配線基板と金属基材の平面図である。
【図１９】 第１１参考例の装置の一部の拡大断面図である。
【図２０】 第１２参考例の装置の一部の正面断面図である。
【図２１】 第１２参考例の絶縁配線基板と制御回路基板の平面図である。
【図２２】 第１３参考例の装置の一部の正面断面図である。
【図２３】 実施例１の装置の正面断面図である。
【図２４】 実施例１の装置の斜視断面図である。
【図２５】 実施例２の装置の正面断面図である。
【図２６】 実施例３のリードフレームの斜視図である。
【図２７】 実施例３のリードフレームの別の例の斜視図である。
【図２８】 第１従来例の装置の正面断面図である。
【図２９】 第２従来例の装置の正面断面図である。
【符号の説明】
１ アルミベース板（金属板）、２ 絶縁層、３ 金属箔（主回路配線パターン）、５ 電力用半導体素子、９ 制御回路基板本体、１０ 配線（制御回路配線パターン）、１３ 電子部品（制御回路素子）、１４ａ，１４ｂ 端子、１７，１９ 接着剤、１８ 封止樹脂（樹脂）、３０ 開口部、３０ａ 突出部、３２ 基板本体（制御回路基板本体）、３３ 金属箔（制御回路配線パターン）、３４ フレキシブル基板（制御回路基板）、４０，５０ 開口部、４２，４３ 金属架橋、１００ 絶縁配線基板（主回路基板）、１０１ 制御回路基板、１０２ 枠体、１０４，１０５ 金属基材、１０６，１０８ リードフレーム、１０９ａ 配線パターン（第１リードフレーム材）、１０９ｂ 配線パターン（第２リードフレーム材）、１１０ リードフレーム（第１リードフレーム材）、１１１ リードフレーム（第２リードフレーム材）。
Claims (3)
- 外部の負荷への電力の供給を担う主電流の流れを制御する電力用半導体素子と当該電力用半導体素子の動作を制御する制御回路素子とを備える半導体パワーモジュールにおいて、
熱良導性の平板状の金属基材の一方主面に、電気絶縁性でしかも熱良導性の接着剤によって、第１及び第２リードフレームが固着されており、
前記第１リードフレームの上の所定部位に前記電力用半導体素子が固着されており、
前記第２リードフレームの上の所定部位に、制御回路基板が固定されており、
当該制御回路基板は、前記電力用半導体素子よりも厚みが厚い電気絶縁性の板状の制御回路基板本体と、当該制御回路基板本体の少なくとも一方主面上に配設された制御回路配線パターンとを備え、
前記制御回路基板本体の他方主面が前記第２リードフレームに固着されることによって、前記制御回路基板が前記第２リードフレームの所定部位に固定されており、
前記制御回路素子は、前記一方主面上において前記制御回路配線パターンの所定部位に接続されており、
前記第１及び第２リードフレームは、それぞれ、外部との間で主電流および電気信号の入出力を行うための複数の端子を含んでいることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。 - 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記接着剤が電気絶縁体の微粒子が混入された接着剤であることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。 - 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記複数の端子の外方先端部、および前記金属基材の他方主面が露出するように、少なくとも、前記金属基材および前記リードフレームの露出面、前記制御回路基板本体の前記一方主面、前記電力用半導体素子、ならびに、前記制御回路素子が、樹脂で封止されていることを特徴とする、
半導体パワーモジュール。
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